CN114844549B - 一种缓存辅助中继系统的资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缓存辅助中继系统的资源分配方法，该方法针对具有能量缓存和数据缓存功能的多中继协作通信场景下的吞吐量最大化问题，考虑了能量因果、能量容量、数据因果和数据容量的限制，联合优化中继对选择和功率分配；该方法根据中继对选择机制确定每一时隙的接收中继和发射中继，再利用拉格朗日乘子迭代法得到发射中继的最优发射功率，保证吞吐量最大化，得到了中继对选择和功率分配的最佳方案。该方法可以合理利用传输资源和缓存资源，有效提高系统吞吐量性能。

Description

一种缓存辅助中继系统的资源分配方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种缓存辅助中继系统的资源分配方法。

背景技术

缓冲辅助中继可以充分利用中继链路的可用增益，允许中继在通信质量不佳时将接收到的数据包存储在数据缓冲区中，另外能量采集技术能够显著延长无线网络的生命周期，缓冲辅助中继采用能量采集技术，并且具有能量缓冲区，在适当的传输策略下，可保证中继节点能量的均衡利用。因此，近年来，以能量采集技术为核心，缓存技术为辅助的绿色通信成为了研究热点。

能量采集技术，通过采集环境能量来延长无线设备的寿命，对降低能耗实现绿色通信提供了解决方案。不同类型的采集设备可以采集不同种类的能量，而存储设备的存在可以提高能量采集率和数据转发率，因此缓存技术在基于能量采集的中继通信系统的应用中占有重要地位。缓存技术的应用包括能量缓冲区和数据缓冲区。可充电电池是一种常见的能量缓冲区的存储选择，是一种可以通过逆转内部化学反应来充电的电池。数据缓冲区是由一种数据存储设备组成，用来存储已接受但未转发的信息。根据能量和数据是否被存储，可以将中继缓存策略分为四种：不缓存策略、能量缓存策略、数据缓存策略和能量数据同时缓存策略。

不同于单一缓存策略，能量数据同时缓存策略是指中继利用能量缓冲区中的能量发射数据缓冲区中的信息，是中继能量缓存策略和中继数据缓存策略的结合体，既提高了能源利用率，又保障了信息完整性，适合用于长期传输大量信息的场合。本方法在缓冲辅助全双工连续中继选择场景下，考虑能量因果、能量容量、数据因果和数据容量的同时，构建了吞吐量最大化模型，提出了中继对选择策略。本方法可以根据当前时隙能量和数据存储状态以及信道干扰选择合适的中继对完成协作通信，提高了吞吐量性能。

发明内容

本发明目的：在于提供一种缓存辅助中继系统的资源分配方法，通过联合优化中继对选择和功率分配，使目的节点吞吐量最大化。

为实现以上功能，本发明设计一种缓存辅助中继系统的资源分配方法，目标通信区域内包括一个源节点、至少两个中继节点、一个目的节点，各中继节点分别均具有相同容量的数据缓冲区和电池，且每隔预设时间间隙τ从环境中采集能量并存储进电池中，各中继节点用于接收或发送数据，当中继节点用于接收来自源节点的数据并存储进数据缓冲区时，该中继节点为接收中继，当中继节点用于向目的节点发送数据时，该中继节点为发射中继，一个接收中继和一个发射中继组成一组中继对，执行以下步骤，完成所有时间间隙内能量资源和数据传输资源的分配：

S1：基于目标通信区域内的源节点、各中继节点、目的节点，以及从源节点经过中继节点向目的节点传输数据的过程，对传输数据的过程进行初始化，将数据传输周期分为T个时间长度为τ的时间间隙，并构建中继节点集合、时间间隙集合、中继发射功率集合、中继对选择集合；

S2：基于中继节点集合、时间间隙集合、中继发射功率集合、中继对选择集合，以及根据中继对选择所对应的目的节点数据吞吐量，构建数据吞吐量最大化函数及其约束条件；

S3：基于数据吞吐量最大化函数及其约束条件，以及各中继节点的数据缓冲区的剩余容量，以目的节点数据吞吐量最大化为目标，构建中继对选择机制，并根据中继对选择机制，分别针对数据传输周期中各时间间隙，确定其中一个时间间隙的接收中继和发射中继；

S4：针对中继对选择机制所选择的数据传输周期中其中一个时间间隙的接收中继和发射中继，基于拉格朗日乘子法，并通过预设次数的迭代，获得收敛误差小于预设阈值的发射功率，作为该时间间隙的发射中继的最优发射功率；

S5：基于步骤S3所确定的数据传输周期中其中一个时间间隙的接收中继和发射中继，以及步骤S4所获得的发射中继的最优发射功率，获得该时间间隙内目的节点最大数据吞吐量；

S6：重复步骤S2至步骤S5，直至完成所有时间间隙内能量资源和数据传输资源的分配。

作为本发明的一种优选技术方案：步骤S1中基于目标通信区域内的源节点、各中继节点、目的节点，以及从源节点经过中继节点向目的节点传输数据的过程，对传输数据的过程进行初始化，将数据传输周期分为T个时间长度为τ的时间间隙，并构建中继节点集合、时间间隙集合、中继发射功率集合、中继对选择集合的具体步骤如下：

S11：基于各中继节点构建中继节点集合如下式：

{R₁,R₂,…,R_n,…,R_N}

式中，{1,2,…n,…,N}为目标通信区域内各中继节点的编号，中继节点总数为N，R₁,R₂,…,R_n,…,R_N表示目标通信区域内各中继节点；

基于各时间间隙构建时间间隙集合如下式：

{0,1,2,…,t,…,T}

式中，0,1,2,…,t,…,T为各时间间隙的编号，时间间隙的总数为T，各时间间隙的长度为τ；

S12：针对各时间间隙的各中继节点，基于各中继节点的发射功率，构建中继发射功率集{P_n,t}；

S13：分别针对各时间间隙中作为接收中继的中继节点R_i和作为发射中继的中继节点R_j，构建接收中继R_i的选择因子w_n,t，以及发射中继R_j的选择因子v_n,t如下式：

式中，w_n,t＝1表示在第t个时间间隙，选中第n个中继节点作为接收中继，否则表示未选中；v_n,t＝1表示在第t个时间间隙，选中第n个中继节点作为发射中继，否则表示未选中；

基于接收中继R_i的选择因子w_n,t、发射中继R_j的选择因子v_n,t，构建中继对选择集合：{w_n,t}、{v_n,t}。

作为本发明的一种优选技术方案：步骤S2中所述数据吞吐量最大化函数如下式：

式中，P_n,t表示在第t个时间间隙中继节点R_n的发射功率，

表示在第t个时间间隙中继节点R_n与目的节点之间链路的数据吞吐量，R表示在第t个时间间隙内的目的节点数据吞吐量；

数据吞吐量最大化函数的约束条件如下式：

式中，H_n,t表示第t个时间间隙中继节点R_n从环境中采集能量值，E_max为中继节点的电池最大容量，B_max为中继节点数据缓冲区的最大存储容量。

作为本发明的一种优选技术方案：步骤S3中以目的节点数据吞吐量最大化为目标，构建中继对选择机制如下式：

式中，E_n,t为第t个时间间隙中继节点R_n电池的存储能量，B_n,t为第t个时间间隙中继节点R_n数据缓冲区的存储容量，E_j,t为第t个时间间隙发射中继R_j电池的存储能量。

作为本发明的一种优选技术方案：步骤S4中针对中继对选择机制所选择的数据传输周期中其中一个时间间隙的接收中继和发射中继，基于拉格朗日乘子法，并通过预设次数的迭代，获得收敛误差小于预设阈值的发射功率作为该时间间隙的发射中继的最优发射功率的具体步骤如下：

S41:针对中继节点R_n，若中继节点R_n在第t个时间间隙中不作为发射中继，即n≠j，且v_n,t＝0，则中继节点R_n的发射功率

为0；若中继节点R_n在第t个时间间隙中作为发射中继，即n＝j，且v_n,t＝1，则中继节点R_n的发射功率/>

大于0，具体如下式：

S42:当中继节点R_n在第t个时间间隙中作为发射中继时，基于中继发射功率集{P_n,t}，并基于拉格朗日乘子法，将有约束条件的数据吞吐量最大化函数转化为无约束的数据吞吐量最大化函数如下式，并初始化迭代次数s为0：

式中，α、β、λ、μ为拉格朗日乘子，α＝{α_n,t}>0，β＝{β_n,t}>0，λ＝{λ_n,t}>0，μ＝{μ_n,t}>0；

S43:基于步骤S42所获得的数据吞吐量最大化函数L({P_n,t},α,β,λ,μ)，通过KKT条件，求解获得第t个时间间隙的发射中继的发射功率

其中s表示迭代次数；

S44:预设阈值δ，并基于步骤S42所获得的数据吞吐量最大化函数L({P_n,t},α,β,λ,μ)进行预设次数的迭代，直至

表示发射功率满足拉格朗日收敛条件，将/>

作为第t个时间间隙的发射中继的最优发射功率；

S45:将步骤S44所获得的

以及此时的中继对选择集合{w_n,t}、{v_n,t}带入至数据吞吐量最大化函数中，获得最优目的节点数据吞吐量R^*，并基于最优目的节点数据吞吐量R^*，完成所有时间间隙内能量资源和数据传输资源的分配。

有益效果：相对于现有技术，本发明的优点包括：

1.本发明方法以吞吐量最大化为优化目标，考虑缓冲辅助全双工连续中继选择场景，即在同一时隙中，选择的接收中继接收源节点发送的数据，选择的发射中继向目的节点发送数据。不同于两跳半双工中继场景，两个中继在同一时隙内通信会出现干扰，但传输时长的增长会大大提高吞吐量性能。

2.不同于传统的单一缓存策略，本发明方法采用能量数据同时缓存策略。中继节点可将当前时隙采集到的能量存储到能量缓冲区中，供当前和之后的时隙使用，也可将当前时隙接收到的数据存储到数据缓冲区中，供之后的时隙发送给目的节点。资源分配更加灵活，能源利用率大大提高，数据完整性得到保障。

3.不同于传统的中继对选择策略，本发明方法提出的中继对选择策略不仅考虑了信道增益的好坏，还考虑了能量和数据存储情况，可以更加准确地选择出每个时隙的最优中继对，使得对能量资源和数据传输资源的分配更加均衡合理。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的缓存辅助中继系统的资源分配方法的流程图；

图2是根据本发明实施例提供的缓存辅助中继系统的资源分配方法的网络模型示意图；

图3是根据本发明实施例提供的发射功率的仿真结果图；

图4是根据本发明实施例提供的中继节点数目的仿真结果图；

图5是根据本发明实施例提供的能量到达分布最大值的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明实施例提供的一种缓存辅助中继系统的资源分配方法，参照图1，图2，目标通信区域内包括一个源节点、至少两个中继节点、一个目的节点，图2中S表示源节点，D表示目的节点，源节点和目的节点之间没有直接的通信链路，各中继节点分别均具有相同容量的数据缓冲区和电池，且每隔预设时间间隙τ从环境中采集能量并存储进电池中，所采集能量的能量值H_n,t服从[0,H_max]的均匀分布，其中H_max为能量到达分布最大值，电池存储能量，能量存取无损耗，电池的最大容量为E_max，数据缓冲区用于存储源节点发送的数据，其最大容量为B_max，各中继节点用于接收或发送数据，当中继节点用于接收来自源节点的数据并存储进数据缓冲区时，该中继节点为接收中继，当中继节点用于向目的节点发送数据时，该中继节点为发射中继，一个接收中继和一个发射中继组成一组中继对，执行以下步骤，完成所有时间间隙内能量资源和数据传输资源的分配：

S1：基于目标通信区域内的源节点、各中继节点、目的节点，以及从源节点经过中继节点向目的节点传输数据的过程，对传输数据的过程进行初始化，将数据传输周期分为T个时间长度为τ的时间间隙，并构建中继节点集合、时间间隙集合、中继发射功率集合、中继对选择集合；

步骤S1中构建中继节点集合、时间间隙集合、中继发射功率集合、中继对选择集合的具体步骤如下：

S11：基于各中继节点构建中继节点集合如下式：

{R₁,R₂,…,R_n,…,R_N}

式中，{1,2,…n,…,N}为目标通信区域内各中继节点的编号，中继节点总数为N，R₁,R₂,…,R_n,…,R_N表示目标通信区域内各中继节点；

基于各时间间隙构建时间间隙集合如下式：

{0,1,2,…,t,…,T}

式中，0,1,2,…,t,…,T为各时间间隙的编号，时间间隙的总数为T，各时间间隙的长度为τ；

S12：针对各时间间隙的各中继节点，基于各中继节点的发射功率，构建中继发射功率集{P_n,t}；

S13：分别针对各时间间隙中作为接收中继的中继节点R_i和作为发射中继的中继节点R_j，源节点与各中继节点、各中继节点与目的节点、作为接收中继的中继节点R_i和作为发射中继的中继节点R_j之间的路径增益分别为h_n,t、g_n,t、e_i,j,t；源节点与各中继节点、各中继节点与目的节点、作为接收中继的中继节点R_i和作为发射中继的中继节点R_j之间的距离分别为d_1,n、d_2,n、d_3,i,j；源节点与各中继节点、各中继节点与目的节点、作为接收中继的中继节点R_i和作为发射中继的中继节点R_j之间的信道增益分别表示为

其中m为路径衰落系数。

本方法考虑数据缓存，发射中继R_j转发缓冲区的数据，接收中继R_i当前数据缓冲区状态与之前的状态和接收数据相关，数据缓冲区存储数据有上限。所以，数据缓冲区中的数据队列变更规则为：

式中，B_i,t为第t个时间间隙接收中继R_i的数据缓冲区容量，B_j,t为第t个时间间隙发射中继R_j的数据缓冲区容量，

为第t个时间间隙源节点与接收中继R_i之间的链路的数据吞吐量，/>

为第t个时间间隙发射中继R_j与目的节点之间的链路的数据吞吐量；

本方法考虑能量缓存，能量存储在电池中，超过电池容量的能量将被丢弃。发射中继采用电池中的能量传输数据。在第t+1个时间间隙，电池中的能量队列变更规则为：

E_n,t+1＝min{E_n,t+H_n,t,E_max},n≠j

E_j,t+1＝min{E_j,t+H_j,t,E_max}-τP_j,t,n＝j

式中，E_n,t+1为第t+1个时间间隙中继节点R_n的电池存储的能量，E_j,t+1为第t+1个时间间隙发射中继R_j的电池存储的能量；E_n,t为第t个时间间隙中继节点R_n电池的存储能量；

构建接收中继R_i的选择因子w_n,t，以及发射中继R_j的选择因子v_n,t如下式：

式中，w_n,t＝1表示在第t个时间间隙，选中第n个中继节点作为接收中继，否则表示未选中；v_n,t＝1表示在第t个时间间隙，选中第n个中继节点作为发射中继，否则表示未选中；在同一个时间间隙中，中继节点R_n不能同时作为接收中继和发射中继，所以选择因子应满足0≤v_n,t+w_n,t≤1的限制条件。

基于接收中继R_i的选择因子w_n,t、发射中继R_j的选择因子v_n,t，构建中继对选择集合：{w_n,t}、{v_n,t}。

S2：基于中继节点集合、时间间隙集合、中继发射功率集合、中继对选择集合，以及根据中继对选择所对应的目的节点数据吞吐量，构建数据吞吐量最大化函数及其约束条件；

步骤S2中所述数据吞吐量最大化函数如下式：

式中，P_n,t表示在第t个时间间隙中继节点R_n的发射功率，

表示在第t个时间间隙中继节点R_n与目的节点之间链路的数据吞吐量，R表示在第t个时间间隙内的目的节点数据吞吐量；

数据吞吐量最大化函数的约束条件如下式：

式中，H_n,t表示第t个时间间隙中继节点R_n从环境中采集能量值，E_max为中继节点的电池最大容量，B_max为中继节点数据缓冲区的最大存储容量。

其中，C1为能量因果约束，C2为电池容量限制，C3为数据传输约束，C4为数据缓存区容量限制，C5是发射中继发射功率的可行性约束，C6是选择因子的约束条件。

上述优化表达式表明，数据吞吐量最大化函数是一个复杂的NP-hard问题,可分为中继对选择和功率分配两个子问题解决：在第一个子问题中，根据中继对选择机制确定每一时间间隙的接收中继和发射中继，在第二个子问题中，以最大化目的节点数据吞吐量为目标，利用拉格朗日乘子法得到最优发射功率。

S3：基于数据吞吐量最大化函数及其约束条件，以及各中继节点的数据缓冲区的剩余容量，以目的节点数据吞吐量最大化为目标，构建中继对选择机制，并根据中继对选择机制，分别针对数据传输周期中各时间间隙，确定其中一个时间间隙的接收中继和发射中继；

步骤S3中以目的节点数据吞吐量最大化为目标，构建中继对选择机制如下式：

式中，E_n,t为第t个时间间隙中继节点R_n电池的存储能量，B_n,t为第t个时间间隙中继节点R_n数据缓冲区的存储容量，E_j,t为第t个时间间隙发射中继R_j电池的存储能量。

S4：针对中继对选择机制所选择的数据传输周期中其中一个时间间隙的接收中继和发射中继，基于拉格朗日乘子法，并通过预设次数的迭代，获得收敛误差小于预设阈值的发射功率，作为该时间间隙的发射中继的最优发射功率；

步骤S4的具体步骤如下：

S41:针对中继节点R_n，若中继节点R_n在第t个时间间隙中不作为发射中继，即n≠j，且v_n,t＝0，则中继节点R_n的发射功率

为0；若中继节点R_n在第t个时间间隙中作为发射中继，即n＝j，且v_n,t＝1，则中继节点R_n的发射功率/>

大于0，具体如下式：

S42:当中继节点R_n在第t个时间间隙中作为发射中继时，基于中继发射功率集{P_n,t}，并基于拉格朗日乘子法，将有约束条件的数据吞吐量最大化函数转化为无约束的数据吞吐量最大化函数如下式，并初始化迭代次数s为0：

式中，α、β、λ、μ为拉格朗日乘子，α＝{α_n,t}>0，β＝{β_n,t}>0，λ＝{λ_n,t}>0，μ＝{μ_n,t}>0；

S43:基于步骤S42所获得的数据吞吐量最大化函数L({P_n,t},α,β,λ,μ)，通过KKT条件，求解获得第t个时间间隙的发射中继的发射功率

其中s表示迭代次数，并更新各拉格朗日乘子的值，即/>

其中，应用KKT条件，获得中继节点R_n的发射功率

的充要条件为：

S44:预设阈值δ，并基于步骤S42所获得的数据吞吐量最大化函数L({P_n,t},α,β,λ,μ)进行预设次数的迭代，直至

表示发射功率满足拉格朗日收敛条件，将/>

作为第t个时间间隙的发射中继的最优发射功率，其中预设最大迭代次数为I_max；

S45:将步骤S44所获得的

以及此时的中继对选择集合{w_n,t}、{v_n,t}带入至数据吞吐量最大化函数中，获得最优目的节点数据吞吐量R^*，并基于最优目的节点数据吞吐量R^*，完成所有时间间隙内能量资源和数据传输资源的分配。

S5：基于步骤S3所确定的数据传输周期中其中一个时间间隙的接收中继和发射中继，以及步骤S4所获得的发射中继的最优发射功率，获得该时间间隙内目的节点最大数据吞吐量；

S6：重复步骤S2至步骤S5，直至完成所有时间间隙内能量资源和数据传输资源的分配。

综上所述，本发明考虑带有数据缓存区和能量缓存区的多中继场景，其中数据缓存区和能量缓存区的容量都有上限限制，各中继节点在同一时间间隙要么不工作，要么只能接收数据，要么只能发送数据。针对该场景，在能量因果、能量容量、数据因果和数据容量的限制下，提出了数据吞吐量最大化问题，将该NP-hard问题解耦成两个子问题解决，即先给出了中继选择机制，再通过拉格朗日迭代法得到发射中继最优发射功率的闭合表达式。

参考图3，数据吞吐量与源节点发射功率成正比；参考图4，数据吞吐量与中继节点数目成正比，但增加速度逐渐减少；参考图5，数据吞吐量与能量到达分布最大值成正比，综合图3、图4和图5可知，基于本发明方法数据吞吐量性能有所提高。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种缓存辅助中继系统的资源分配方法，其特征在于，目标通信区域内包括一个源节点、至少两个中继节点、一个目的节点，各中继节点分别均具有相同容量的数据缓冲区和电池，且每隔预设时间间隙τ从环境中采集能量并存储进电池中，各中继节点用于接收或发送数据，当中继节点用于接收来自源节点的数据并存储进数据缓冲区时，该中继节点为接收中继，当中继节点用于向目的节点发送数据时，该中继节点为发射中继，一个接收中继和一个发射中继组成一组中继对，执行以下步骤，完成所有时间间隙内能量资源和数据传输资源的分配：

S1：基于目标通信区域内的源节点、各中继节点、目的节点，以及从源节点经过中继节点向目的节点传输数据的过程，对传输数据的过程进行初始化，将数据传输周期分为T个时间长度为τ的时间间隙，并构建中继节点集合、时间间隙集合、中继发射功率集合、中继对选择集合；

S2：基于中继节点集合、时间间隙集合、中继发射功率集合、中继对选择集合，以及根据中继对选择所对应的目的节点数据吞吐量，构建数据吞吐量最大化函数及其约束条件；

S3：基于数据吞吐量最大化函数及其约束条件，以及各中继节点的数据缓冲区的剩余容量，以目的节点数据吞吐量最大化为目标，构建中继对选择机制，并根据中继对选择机制，分别针对数据传输周期中各时间间隙，确定其中一个时间间隙的接收中继和发射中继；

S4：针对中继对选择机制所选择的数据传输周期中其中一个时间间隙的接收中继和发射中继，基于拉格朗日乘子法，并通过预设次数的迭代，获得收敛误差小于预设阈值的发射功率，作为该时间间隙的发射中继的最优发射功率；

S5：基于步骤S3所确定的数据传输周期中各时间间隙的接收中继和发射中继，以及步骤S4所获得的发射中继的最优发射功率，获得该时间间隙内目的节点最大数据吞吐量；

S6：重复步骤S2至步骤S5，直至完成所有时间间隙内能量资源和数据传输资源的分配。

2.根据权利要求1所述的一种缓存辅助中继系统的资源分配方法，其特征在于，步骤S1中基于目标通信区域内的源节点、各中继节点、目的节点，以及从源节点经过中继节点向目的节点传输数据的过程，对传输数据的过程进行初始化，将数据传输周期分为T个时间长度为τ的时间间隙，并构建中继节点集合、时间间隙集合、中继发射功率集合、中继对选择集合的具体步骤如下：

S11：基于各中继节点构建中继节点集合如下式：

{R₁,R₂,…,R_n,…,R_N}

式中，{1,2,…n,…,N}为目标通信区域内各中继节点的编号，中继节点总数为N，R₁,R₂,…,R_n,…,R_N表示目标通信区域内各中继节点；

基于各时间间隙构建时间间隙集合如下式：

{0,1,2,…,t,…,T}

式中，0,1,2,…,t,…,T为各时间间隙的编号，时间间隙的总数为T，各时间间隙的长度为τ；

S12：针对各时间间隙的各中继节点，基于各中继节点的发射功率，构建中继发射功率集{P_n,t}；

S13：分别针对各时间间隙中作为接收中继的中继节点R_i和作为发射中继的中继节点R_j，构建接收中继R_i的选择因子w_n,t，以及发射中继R_j的选择因子v_n,t如下式：

式中，w_n,t＝1表示在第t个时间间隙，选中第n个中继节点作为接收中继，否则表示未选中；v_n,t＝1表示在第t个时间间隙，选中第n个中继节点作为发射中继，否则表示未选中；

基于接收中继R_i的选择因子w_n,t、发射中继R_j的选择因子v_n,t，构建中继对选择集合：{w_n,t}、{v_n,t}。

3.根据权利要求2所述的一种缓存辅助中继系统的资源分配方法，其特征在于，步骤S2中所述数据吞吐量最大化函数如下式：

式中，P_n,t表示在第t个时间间隙中继节点R_n的发射功率，

表示在第t个时间间隙中继节点R_n与目的节点之间链路的数据吞吐量，R表示在第t个时间间隙内的目的节点数据吞吐量；

数据吞吐量最大化函数的约束条件如下式：

式中，H_n,t表示第t个时间间隙中继节点R_n从环境中采集能量值，E_max为中继节点的电池最大容量，B_max为中继节点数据缓冲区的最大存储容量。

4.根据权利要求3所述的一种缓存辅助中继系统的资源分配方法，其特征在于，步骤S3中以目的节点数据吞吐量最大化为目标，构建中继对选择机制如下式：

式中，E_n,t为第t个时间间隙中继节点R_n电池的存储能量，B_n,t为第t个时间间隙中继节点R_n数据缓冲区的存储容量，E_j,t为第t个时间间隙发射中继R_j电池的存储能量。

5.根据权利要求4所述的一种缓存辅助中继系统的资源分配方法，其特征在于，步骤S4中针对中继对选择机制所选择的数据传输周期中其中一个时间间隙的接收中继和发射中继，基于拉格朗日乘子法，并通过预设次数的迭代，获得收敛误差小于预设阈值的发射功率作为该时间间隙的发射中继的最优发射功率的具体步骤如下：

S41:针对中继节点R_n，若中继节点R_n在第t个时间间隙中不作为发射中继，即n≠j，且v_n,t＝0，则中继节点R_n的发射功率

为0；若中继节点R_n在第t个时间间隙中作为发射中继，即n＝j，且v_n,t＝1，则中继节点R_n的发射功率/>

大于0，具体如下式：

S42:当中继节点R_n在第t个时间间隙中作为发射中继时，基于中继发射功率集{P_n,t}，并基于拉格朗日乘子法，将有约束条件的数据吞吐量最大化函数转化为无约束的数据吞吐量最大化函数如下式，并初始化迭代次数s为0：

式中，α、β、λ、μ为拉格朗日乘子，α＝{α_n,t}>0，β＝{β_n,t}>0，λ＝{λ_n,t}>0，μ＝{μ_n,t}>0；

S43:基于步骤S42所获得的数据吞吐量最大化函数L({P_n,t},α,β,λ,μ)，通过KKT条件，求解获得第t个时间间隙的发射中继的发射功率

其中s表示迭代次数；

S44:预设阈值δ，并基于步骤S42所获得的数据吞吐量最大化函数L({P_n,t},α,β,λ,μ)进行预设次数的迭代，直至

表示发射功率满足拉格朗日收敛条件，将

作为第t个时间间隙的发射中继的最优发射功率；

S45:将步骤S44所获得的

以及此时的中继对选择集合{w_n,t}、{v_n,t}带入至数据吞吐量最大化函数中，获得最优目的节点数据吞吐量R^*，并基于最优目的节点数据吞吐量R^*，完成所有时间间隙内能量资源和数据传输资源的分配。

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