CN114390652B - 一种被困用户终端设备能量采集与信息传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种被困用户终端设备能量采集与信息传输方法，包括：以用户采集的能量为约束，对用户终端设备能量采集与信息传输的优化问题进行建模，求解得到每个中继被选择时的最优的能量采集占总时间的比率、最优的第一次信息传输占总信息传输时间的比率和系统的可达速率，选择使系统可达速率最大的中继为对应的最优中继，以及该最优中继前提下的最优的能量采集占总时间的比率和最优的第一次信息传输占总信息传输时间的比率。本发明可以为被困用户提供能量，而且提高了系统传输速率。

Description

一种被困用户终端设备能量采集与信息传输方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体而言涉及一种被困用户终端设备能量采集与信息传输方法。

背景技术

无线业务的急剧增长对无线通信系统的容量和电池寿命提出更高的要求。协作中继技术和能量采集(Energy Harvesting，EH)技术作为下一代移动通信的关键技术之一成为研究热点。协作中继技术可以有效地解决蜂窝通信中边缘用户信号弱地问题，提高系统容量，还可以降低发送端的能耗。能量采集技术可以从周围的射频信号和可再生能源中获得能量，与传统的供能方式不同，能量采集节点可以使用的能量主要受到外界环境和自身电池容量的限制。因此将能量采集技术与协作中继技术相结合不仅可以解决系统的能耗问题还可以提高系统的信号覆盖范围。

不同于传统的源、中继和目的地通信网络中继采集能量的场景，此场景并没有考虑源节点处采集能量，然而在实际场景中源节点处也需要从外界采集能量。例如当发生房屋倒塌时，一些人员来不及撤离被困其中，只能通过无线充电方式给被困用户充电，使其保持与外界的联系，增加获救的可能性。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种被困用户终端采集能量与信息传输方法，通过周围邻近用户给被困用户进行RF充电，并帮助被困用户与外界通信，该方法可以解决被困用户终端能耗问题和覆盖范围问题，不仅可以为被困用户提供能量，而且提高了系统传输速率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明实施例提出了一种被困用户终端设备能量采集与信息传输方法，所述方法包括以下步骤：

将被困用户U作为源节点，N个邻近用户组成中继用户集同时给被困用户进行RF充电，被困用户充电完成后选择一个邻近用户作为中继将信息转发给基站，基站为目的地；设一个通信时长为T，其中αT时间内周围邻近用户给被困用户同时充电，被困用户采集完能量后，在(1-α)βT时间内将信息发送给中继，中继接收到被困用户的信息后在剩余的(1-α)(1-β)T时间内将信息转发给基站，其中0＜α＜1，0＜β＜1，N为大于等于1的正整数；

以用户采集的能量为约束，对用户终端设备能量采集与信息传输的优化问题进行建模，求解得到每个中继被选择时的最优的能量采集占总时间的比率、最优的第一次信息传输占总信息传输时间的比率和系统的可达速率，选择使系统可达速率最大的中继为对应的最优中继，以及该最优中继前提下的最优的能量采集占总时间的比率和最优的第一次信息传输占总信息传输时间的比率。

进一步地，对用户终端设备能量采集与信息传输的优化问题进行建模的过程包括以下子步骤：

S1，设N个邻近用户组成的中继用户集为{1，...，n，...，N}，被困用户U与中继集之间的信道增益矩阵为集合表示，基站与中继集之间的信道增益矩阵为集合/>邻近用户的发送功率为P_r，被困用户处的能量采集效率为δ；

S2，假设所有邻近用户均为被困用户充电，则被困用户U在αT时间内采集到的能量表示为：

其中δ∈(0，1)表示被困用户U的能量采集效率，它受到整流过程和能量采集电路的影响；P_r为邻近用户的发射功率；表示被困用户U与第n个中继之间的信道增益；

S3，假设采集的能量全部用于发送信息，则被困用户U处的最大可用功率为：

被困用户U采集能量后，在(1-α)βT时间内将信息发送给中继r_n，中继r_n处接收到的信号和速率分别表示为：

其中，为被困用户U与中继r_n之间的距离；a为路径损耗因子；P_U为被困用户U的发送功率；/>为被困用户U与中继r_n之间的信道增益；/>为中继r_n的加性高斯白噪声，假设的均值为0，方差为/>x_u为被困用户U处发送的信号，且E[|x_u|²]＝1；

S4，中继r_n接收到被困用户U的信息后，在剩余的(1-α)(1-β)T时间内将信息转发给基站，基站处接收到的信号和速率分别为：

其中，为中继r_n与基站BS之间的距离；/>为中继r_n与基站BS之间的信道增益；n_BS为基站BS处的加性高斯白噪声，假设n_BS的均值为0，方差为/> 为中继r_n的发送信号且/>

S5，根据上述公式计算得到系统可达速率：

其中

S6，对用户终端设备能量采集与信息传输的优化问题进行建模：

其中，C1表示被困用户U处的最大发送功率受限于它从中继集中采集的能量；C2表示一个通信时长T内，时间不能全部用于采集能量，也不能全部用于发送信息；C3表示在剩余(1-α)T时间内，时间不能全部用于被困用户传输信息，也不能全部用于中继转发信息；C4表示只能选择一个中继用于转发信息，当θ_n＝1时表示第n个中继被选择为进行信息转发的中继节点；

S7，求解优化问题，计算得到使系统可达速率最大的最优中继，以及该最优中继前提下的最优的能量采集占总时间的比率和最优的第一次信息传输占总信息传输时间的比率。

进一步地，步骤S7中，求解优化问题的过程包括以下子步骤：

S71，根据基站与中继集之间的信道增益矩阵H_R，BS和被困用户与中继集之间的信道增益矩阵H_U，R，计算得到矩阵和/>其中σ²表示加性高斯白噪声功率；

S72，通过上述计算得到的矩阵γ₁和γ₂计算出每个中继被选择时的最优被困用户信息传输时间占总信息传输时间的比率矩阵β₁和β₂；

S73，由计算出的比率矩阵β₁和β₂，计算每个中继被选择时的能量采集时间占总时间的比率的两个最优值矩阵α₁和α₂；

S74，通过比较最优值矩阵α₁和α₂对应位置值的大小，如果α₁(i)≤α₂(i)则α的最优值为α₁(i)，β的最优值为β₂(i)；如果α₂(i)≤α₁(i)则α的最优值为α₂(i)，β的最优值为β₁(i)，其中i∈[1，N]，得到最优的能量采集时间占总时间比率矩阵α和最优的被困用户信息传输时间占总信息传输时间比率矩阵β；

S75，将计算出的矩阵α和β代入优化问题P1计算每个中继被选择转发信息时的系统速率，选择系统速率值最大的那个中继为最优的中继，以及其对应的α和β为最优的能量采集时间占总时间的比率和被困用户信息传输时间占总信息传输时间的比率。

进一步地，步骤S74中，得到最优的能量采集时间占总时间比率矩阵α的过程包括以下步骤：

A741，设选择的中继为r_n，当被困用户终端信息传输时间与总信息传输时间的比值固定时，求解能量采集时间，将问题P1改写为：

A742，P_U取最大值：

A743，将P_U代入得到：

R_BS(α)＝(1-α)(1-β)log₂(1+γ₁) (12)；

其中

A744，对求关于α得一阶偏导，并令其为0，解得：

令由式(11)和式(12)计算得到：

A745，当α₂≤α₁时，系统的可达速率R_a(α)表示为：

当α₁≤α₂时，系统的可达速率R_a(α)表示为：

计算得到能量采集时间占总时间的比率α^*的最优值为：

进一步地，步骤S74中，得到最优的被困用户信息传输时间占总信息传输时间比率矩阵β的过程包括以下步骤：

B741，假设选择的中继为r_n，当α₂≤α₁时，由式(17)得α^*＝α₂，令R_a(α^*)＝R_BS(α₂)，将α^*＝α₂代入R_BS(α)得到：

则优化问题P1描述为：

B742，对R_BS(β)求关于β的一阶导数得：

令式(20)等于0得：

B743，当α₁＜α₂时，由式(17)得α^*＝α₁，将α^*＝α₁分别代入和R_BS(α)中得到：

则最大化问题P1表示为：

B744，取将其代入/>和R_BS(β)得到：

B745，令解得：

B746，最优的信息传输时间分割因子β^*为：

进一步地，步骤S75中，将计算出的矩阵α^*和β^*代入优化问题P1计算每个中继被选择转发信息时的系统速率的过程包括以下子步骤：

S751，优化问题P1描述为目标函数P5：

S752，求解出每个中继对应的最优能量采集时间占总时间的比率α^*和第一次信息传输时间与第二次信息传输时间的比率β^*，将求出的α^*和β^*代入目标函数P5中，计算每个中继被选用时的速率R_a，比较所有的目标函数值，选取使得目标函数最大的中继为最优中继。

本发明针对灾难场景下被困用户终端的电池充电和信息传输问题，融合SWIPT技术和中继选择技术，结合Lambert W函数，以用户采集的能量为约束，以系统可达速率最大化为目标，结合最优中继选择，对每个中继被选择时求解出最优的能量采集占总时间的比率和最优的第一次信息传输占总信息传输时间的比率以及系统的可达速率，然后选择使系统可达速率最大的中继为对应的最优中继以及最优的能量采集占总时间的比率和最优的第一次信息传输占总信息传输时间的比率。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的被困用户终端采集能量与信息传输方法，以系统传输速率最大化为目标，对被困用户能量采集时间占总时间因子α和信息传输时间占总信息传输时间因子β以及中继选择因子θ进行优化。

(2)同于传统的源、中继和目的地通信网络中继采集能量的场景，本发明的被困用户终端采集能量与信息传输方法，考虑灾难场景中源采集能量的场景，其中被困用户为源节点，由于被困无法直接充电，因此周围邻近用户以RF方式为源节点进行充电，被困用户充电完成后，选择一个邻近用户作为中继将被困用户的信息转发给基站。

(3)本发明的被困用户终端采集能量与信息传输方法，可以给被困用户提供能量，降低其发射功率还可以提高系统能效以及传输速率，所提的时间分配和中继选择算法与固定时间分配方案相比，在被困用户距离邻近5米的距离系统传输速率明显提高了约1bit/Hz。

附图说明

图1是本发明实施例的被困用户终端采集能量与信息传输方法流程图。

图2为本发明的系统模型示意图。

图3为本发明的系统时隙结构图。

图4为本发明提出的时间分配方法与固定时间分配方法的系统性能比较图。

图5为本发明中加入中继帮助转发信息与直接传输信息的性能比较图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

图1是本发明实施例的被困用户终端采集能量与信息传输方法流程图。该方法包括以下步骤：

将被困用户U作为源节点，N个邻近用户组成中继用户集同时给被困用户进行RF充电，被困用户充电完成后选择一个邻近用户作为中继将信息转发给基站，基站为目的地；设一个通信时长为T，其中αT时间内周围邻近用户给被困用户同时充电，被困用户采集完能量后，在(1-α)βT时间内将信息发送给中继，中继接收到被困用户的信息后在剩余的(1-α)(1-β)T时间内将信息转发给基站，其中0＜α＜1，0＜β＜1，N为大于等于1的正整数。

以用户采集的能量为约束，对用户终端设备能量采集与信息传输的优化问题进行建模，求解得到每个中继被选择时的最优的能量采集占总时间的比率、最优的第一次信息传输占总信息传输时间的比率和系统的可达速率，选择使系统可达速率最大的中继为对应的最优中继，以及该最优中继前提下的最优的能量采集占总时间的比率和最优的第一次信息传输占总信息传输时间的比率。

本发明的系统模型如附图2所示，它包括一个基站(Base station，BS)、一个被困用户U和N个没有被困的邻近用户。邻近用户集用R＝{r₁，r₂，...，r_n，...，r_N}表示，随机分布在U与BS之间。由于U无法直接充电，需要周围N个邻近用户同时对其进行RF充电，充电完成后，U从邻近用户集合中选择一个邻近用户r_n作为中继将U的信息转发给BS，以降低U的发射功率节省能量。综上所述，本发明构建的能量采集中继系统中，源节点为被困用户，中继节点为邻近用户，目的节点为BS，中继通过RF方式为源节点充电。

本发明的系统时隙结构如图3所示，假设一个通信时长为T，αT用于被困用户能量采集，即此时邻近用户(中继集)R对被困用户U充电，其中0＜α＜1，则剩余的(1-α)T为信息传输时间。由于是中继系统，信息传输时间应分为两部分，第一部分(1-α)βT时间内源节点将信息发送给选中的中继r_n，第二部分(1-α)(1-β)T时间用于中继r_n将信息转发给基站，其中0＜β＜1，表示的是被困用户信息传输时间占总信息传输时间的比率。

假设所有邻近用户均为被困用户充电，则被困用户U在αT时间内采集到的能量可以表示为：

其中δ∈(0，1)表示被困用户U的能量采集效率，它受到整流过程和能量采集电路的影响；P_r为邻近用户的发射功率；表示被困用户U与第n个中继之间的信道增益。

假设采集的能量全部用于发送信息，则被困用户U处的最大可用功率为：

被困用户U采集能量后，在(1-α)βT时间内将信息发送给中继r_n，此时中继r_n处接收到的信号和速率分别表示为：

其中，为被困用户U与中继r_n之间的距离；a为路径损耗因子；P_U为被困用户U的发送功率；/>为被困用户U与中继r_n之间的信道增益；/>为中继r_n的加性高斯白噪声，假设的均值为0，方差为/>x_u为被困用户U处发送的信号，且E[|x_u|²]＝1。

中继r_n接收到被困用户U的信息后，在剩余的(1-α)(1-β)T时间内将信息转发给基站，此时基站处接收到的信号和速率分别为：

其中，为中继r_n与基站BS之间的距离；/>为中继r_n与基站BS之间的信道增益；n_BS为基站BS处的加性高斯白噪声，假设n_BS的均值为0，方差为/> 为中继r_n的发送信号且/>

综合上述的公式推导，系统可达速率为：

其中

本发明的目标是通过优化被困用户能量采集时间占总时间的比率α、被困用户信息传输时间占总信息传输时间的比率β以及最优中继选择因子θ_n使系统的可达速率最大化，即优化α、β和θ_n使得最大化，因此优化问题建模为：

其中，C1表示被困用户U处的最大发送功率受限于它从中继集中采集的能量；C2表示一个通信时长T内，时间不能全部用于采集能量，也不能全部用于发送信息；C3表示在剩余(1一α)T时间内，时间不能全部用于被困用户传输信息，也不能全部用于中继转发信息；C4表示只能选择一个中继用于转发信息，当θ_n＝1时表示第n个中继被选择为进行信息转发的中继节点。

上述优化问题P1是一个多个变量优化问题，不容易直接求解，因此本发明将多变量问题分解为多个单变量子问题进行求解，第一个子问题为求解能量采集时间占总时间的比率α的最优值；第二个子问题为求解被困用户信息传输时间占总信息传输时间的比率β的最优值；第三个子问题为求解最优中继选择因子θ_n。

假设选择的中继为r_n，当被困用户终端信息传输时间与总信息传输时间的比值固定时，求解能量采集时间，问题P1可以改写为：

由于R_BS(α)与P_U无关，而是随着P_U的增加而增加，因此P_U应取最大值，即：

将P_U代入得：

R_BS(α)＝(1-α)(1-β)log₂(1+γ₁) (12)；

其中

对求关于α得一阶偏导，并令其为0，解得：

令由(11)式和(12)式可得：

下面分两种情况讨论α₁和α₂之间的关系，并确定α的最优值。

(1)α₂≤α₁

当α₂≤α₁时，系统的可达速率R_a(α)可以表示为：

当0＜α＜α₂时，R_a(α)是增函数；当α₂≤α＜1时，R_a(α)是减函数，因此使得R_a(α)最大的α为α₂。

(2)α₁≤α₂

当α₁≤α₂时，系统的可达速率R_a(α)可以表示为：

当0＜α＜α₁时，R_a(α)是增函数；当α₁≤α＜1时，R_a(α)是减函数。因此使得R_a(α)最大的α为α₁。

综上所述能量采集时间占总时间的比率α的最优值为：

假设选择的中继为r_n，利用上述获得的最优值α^*来求解β子问题。由于α存在两种情况，因此在求解β时需要分两种情况讨论，即当α₂≤α₁和α₁＜α₂时。

(1)α₂≤α₁

当α₂≤α₁时，由式(17)得α^*＝α₂，由于此时令R_a(α^*)＝R_BS(α₂)，将α^*＝α₂代入R_BS(α)得到：

则优化问题P1可以描述为：

对R_BS(β)求关于β的一阶导数得：

令(20)等于0得：

(2)α₁＜α₂

当α₁＜α₂时，由式(17)得α^*＝α₁，将α＝α₁分别代入和R_BS(α)中可以得到：

则最大化问题P1可以表示为

由于是中继发送功率P_r的函数，γ₂＞＞0，因此可以取并将其代入/>和R_BS(β)可得：

令解得：/>

因此最优的信息传输时间分割因子β为：

被困用户采集完能量后需要选择一个中继来帮助他转发信息，以使系统可达速率最大化，这部分是根据上面求解出的最优能量采集时间占总时间的比率α^*和第一次信息传输和第二次信息传输时间的比率β^*来求解最优中继，因此最大化问题可以描述为：

依据上部分求解出α^*和β^*的方法，这部分先求解出每个中继对应的最优能量采集时间占总时间的比率α和第一次信息传输时间与第二次信息传输时间的比率β，然后将求出的α和β代入目标函数中，计算每个中继被选用时的速率R_a，比较所有的目标函数值，选取使得目标函数最大的中继为最优中继。

最终，基于上述优化问题的发明方法的流程如下所示：

1)初始化：邻近用户数为N，并记为中继用户集，用{1，...，n，...，N}表示，被困用户与中继集之间的信道增益矩阵用集合表示，记为H_U，R。基站与中继集之间的信道增益矩阵用集合/>表示，记为H_R，BS。邻近用户的发送功率为P_r，被困用户处的能量采集效率为δ。

2)通过初始化得到的基站与中继集之间的信道增益矩阵H_R，BS和被困用户与中继集之间的信道增益矩阵H_U，R计算矩阵和/>

3)通过上述计算得到的矩阵γ₁和γ₂计算出每个中继被选择时的被困用户信息传输时间占总信息传输时间的比率矩阵β₁和β₂。

4)由计算出的矩阵β₁和β₂，计算每个中继被选择时的能量采集时间占总时间的比率的两个可能的最优值矩阵α₁和α₂。

5)通过比较矩阵α₁和α₂对应位置值的大小。如果α₁(i)≤α₂(i)则α的最优值为α₁(i)，β的最优值为β₂(i)；如果α₂(i)≤α₁(i)则α的最优值为α₂(i)，β的最优值为β₁(i)，其中i∈[1，N]。最后得到最优的能量采集时间占总时间比率α矩阵和最优的被困用户信息传输时间占总信息传输时间比率矩阵β。

6)将上述计算的矩阵α和β代入目标函数计算每个中继被选择转发信息时的系统速率，选择系统速率值最大的那个中继为最优的中继，以及其对应的α和β为最优的能量采集时间占总时间的比率和被困用户信息传输时间占总信息传输时间的比率。

综上所述，本发明研究了在灾难场景下，被困用户终端从中继处采集能量与信息传输的资源分配问题。在被困用户终端采集能量的约束下，构建了系统传输速率最大化问题模型。该问题模型是一个多变量优化问题，不容易直接求解，本发明把该问题模型分解为多个单变量优化问题，利用Lambert W函数求出了被困用户的最优能量采集时间占总时间因子α和信息传输时间占总信息传输时间因子β的闭式解，并通过穷举法求解出最优的中继选择因子θ。最终得到本发明的最优时间分配和中继选择方案。

如图4所示，本发明所提的时间分配和中继选择方法的性能优于固定时间分配方法的性能，但系统性能随着被困用户与邻近用户之间的距离增加而减小。图5所示的是采用中继转发信息与直接传输信息之间的性能比较，从图5中可以看出，中继转发的性能极大的优于直接传输的性能。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种被困用户终端设备能量采集与信息传输方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将被困用户U作为源节点，N个邻近用户组成中继用户集同时给被困用户进行RF充电，被困用户充电完成后选择一个邻近用户作为中继将信息转发给基站，基站为目的地；设一个通信时长为T，其中αT时间内周围邻近用户给被困用户同时充电，被困用户采集完能量后，在(1-α)βT时间内将信息发送给中继，中继接收到被困用户的信息后在剩余的(1-α)(1-β)T时间内将信息转发给基站，其中0＜α＜1，0＜β＜1，N为大于等于1的正整数；

以用户采集的能量为约束，对用户终端设备能量采集与信息传输的优化问题进行建模，求解得到每个中继被选择时的最优的能量采集占总时间的比率、最优的第一次信息传输占总信息传输时间的比率和系统的可达速率，选择使系统可达速率最大的中继为对应的最优中继，以及该最优中继前提下的最优的能量采集占总时间的比率和最优的第一次信息传输占总信息传输时间的比率；

对用户终端设备能量采集与信息传输的优化问题进行建模的过程包括以下子步骤：

S1，设N个邻近用户组成的中继用户集为{1，...，n，...，N}，被困用户U与中继集之间的信道增益矩阵为集合表示，基站与中继集之间的信道增益矩阵为集合/>邻近用户的发送功率为P_r，被困用户处的能量采集效率为δ；

S2，假设所有邻近用户均为被困用户充电，则被困用户U在αT时间内采集到的能量表示为：

其中δ∈(0，1)表示被困用户U的能量采集效率，它受到整流过程和能量采集电路的影响；P_r为邻近用户的发射功率；表示被困用户U与第n个中继之间的信道增益；

S3，假设采集的能量全部用于发送信息，则被困用户U处的最大可用功率为：

被困用户U采集能量后，在(1-α)βT时间内将信息发送给中继r_n，中继r_n处接收到的信号和速率分别表示为：

其中，为被困用户U与中继r_n之间的距离；a为路径损耗因子；P_U为被困用户U的发送功率；/>为被困用户U与中继r_n之间的信道增益；/>为中继r_n的加性高斯白噪声，假设/>的均值为0，方差为/>x_u为被困用户U处发送的信号，且E[|x_u|²]＝1；

S4，中继r_n接收到被困用户U的信息后，在剩余的(1-α)(1-β)T时间内将信息转发给基站，基站处接收到的信号和速率分别为：

其中，为中继r_n与基站BS之间的距离；/>为中继r_n与基站BS之间的信道增益；n_BS为基站BS处的加性高斯白噪声，假设β_BS的均值为0，方差为/> 为中继r_n的发送信号且

S5，根据上述公式计算得到系统可达速率：

其中

S6，对用户终端设备能量采集与信息传输的优化问题进行建模：

其中，C1表示被困用户U处的最大发送功率受限于它从中继集中采集的能量；C2表示一个通信时长T内，时间不能全部用于采集能量，也不能全部用于发送信息；C3表示在剩余(1-α)T时间内，时间不能全部用于被困用户传输信息，也不能全部用于中继转发信息；C4表示只能选择一个中继用于转发信息，当θ_n＝1时表示第n个中继被选择为进行信息转发的中继节点；

S7，求解优化问题，计算得到使系统可达速率最大的最优中继，以及该最优中继前提下的最优的能量采集占总时间的比率和最优的第一次信息传输占总信息传输时间的比率。

2.根据权利要求1所述的被困用户终端设备能量采集与信息传输方法，其特征在于，步骤S7中，求解优化问题的过程包括以下子步骤：

S71，根据基站与中继集之间的信道增益矩阵H_R，BS和被困用户与中继集之间的信道增益矩阵H_U，R，计算得到矩阵和/>其中σ²表示加性高斯白噪声功率；

S72，通过上述计算得到的矩阵γ₁和γ₂计算出每个中继被选择时的最优被困用户信息传输时间占总信息传输时间的比率矩阵β₁和β₂；

S73，由计算出的比率矩阵β₁和β₂，计算每个中继被选择时的能量采集时间占总时间的比率的两个最优值矩阵α₁和α₂；

S74，通过比较最优值矩阵α₁和α₂对应位置值的大小，如果α₁(i)≤α₂(i)则α的最优值为α₁(i)，β的最优值为β₂(i)；如果α₂(i)≤α₁(i)则α的最优值为α₂(i)，β的最优值为β₁(i)，其中i∈[1，N]，得到最优的能量采集时间占总时间比率矩阵α和最优的被困用户信息传输时间占总信息传输时间比率矩阵β；

S75，将计算出的矩阵α和β代入优化问题P1计算每个中继被选择转发信息时的系统速率，选择系统速率值最大的那个中继为最优的中继，以及其对应的α和β为最优的能量采集时间占总时间的比率和被困用户信息传输时间占总信息传输时间的比率。

3.根据权利要求2所述的被困用户终端设备能量采集与信息传输方法，其特征在于，步骤S74中，得到最优的能量采集时间占总时间比率矩阵α的过程包括以下步骤：

A741，设选择的中继为r_n，当被困用户终端信息传输时间与总信息传输时间的比值固定时，求解能量采集时间，将问题P1改写为：

A742，P_U取最大值：

A743，将P_U代入得到：

R_BS(α)＝(1-α)(1-β)log₂(1+γ₁) (12)；

其中

A744，对求关于α得一阶偏导，并令其为0，解得：

令由式(11)和式(12)计算得到：

A745，当α₂≤α₁时，系统的可达速率R_a(α)表示为：

当α₁≤α₂时，系统的可达速率R_a(α)表示为：

计算得到能量采集时间占总时间的比率α^*的最优值为：

4.根据权利要求3所述的被困用户终端设备能量采集与信息传输方法，其特征在于，步骤S74中，得到最优的被困用户信息传输时间占总信息传输时间比率矩阵β的过程包括以下步骤：

B741，假设选择的中继为r_n，当α₂≤α₁时，由式(17)得α^*＝α₂，令R_a(α^*)＝R_BS(α₂)，将α^*＝α₂代入R_BS(α)得到：

则优化问题P1描述为：

B742，对R_BS(β)求关于β的一阶导数得：

令式(20)等于0得：

B743，当α₁＜α₂时，由式(17)得α^*＝α₁，将α^*＝α₁分别代入和R_BS(α)中得到：

则最大化问题P1表示为：

B744，取将其代入/>和R_BS(β)得到：

B745，令解得：

B746，最优的信息传输时间分割因子β^*为：

5.根据权利要求4所述的被困用户终端设备能量采集与信息传输方法，其特征在于，步骤S75中，将计算出的矩阵α^*和β^*代入优化问题P1计算每个中继被选择转发信息时的系统速率的过程包括以下子步骤：

S751，优化问题P1描述为目标函数P5：

S752，求解出每个中继对应的最优能量采集时间占总时间的比率α^*和第一次信息传输时间与第二次信息传输时间的比率β^*，将求出的α^*和β^*代入目标函数P5中，计算每个中继被选用时的速率R_a，比较所有的目标函数值，选取使得目标函数最大的中继为最优中继。