本发明属于能量捕获无线传感器网络技术领域，涉及无线携能通信中继网络中最大化传输和速率方法。
背景技术：
无线传感器网络(wirelesssensornetwork,wsn)具有广泛的应用，但能量问题成为约束其进一步发展的主要因素之一。因此，让传感器节点具有能量捕获功能是解决其能量问题的有效方法之一。对于能量捕获方面，传统的方法有太阳能、风能、热能等，但由于此类方法具有诸多的局限性，难以长期稳定的供应能量，而射频能量捕获因其独特的性能在该方面越来越引起关注。
无线携能通信(simultaneouswirelessinformationandpowertransfer，swipt)是能量捕获无线传感器网络的一个重要研究方向，因其能够同时传输信息和能量而被广泛研究。swipt主要是通过源节点发送携能信号，接收机对于接收到的携能信号，通过功率分配将信号一部分转化为能量，一部分解码为信息。对于功率分配因子的求解至关重要，因为将信号过多的转化为能量，或者过多的解码为信息，都将影响到网络的性能。
技术实现要素：
为了最大化无线携能通信中继网络中传输和速率问题，本发明提出了一种最优化源节点在每个频谱上的功率分配、每个中继节点功率分配因子的方法，在每个频谱上分配的功率和不大于总功率约束的条件下，以最大化无线携能通信中继网络中的传输和速率，最终提升网络传输效率，提升网络的总吞吐量等。
为了实现上述过程，本发明提供以下的技术方案：
一种无线携能通信中继网络中最大化传输和速率方法，包括如下步骤：
步骤1：源节点通过中继节点与目的节点进行通信，假设源节点与目的节点不能直接通信，只能通过中继节点进行通信，且源节点知道所有信道状态信息(csi)，通信的整个过程在一个时隙内完成，在这个时隙内分为第一阶段和第二阶段，每个阶段各占用1/2的时隙；
步骤2：第一阶段源节点在不同的频谱上分配不同的功率给中继节点传输携能信号，中继节点将接收到的信号一部分转化为能量，一部分解码为信息；对于转化为能量的部分，用于在第二阶段转发信息使用；在第二阶段，每个中继节点通过捕获到的能量以恒定功率将第一阶段解码的信息转发给目的节点；在源节点发射总功率的约束条件下，通过在不同频谱上分配不同的功率、每个中继节点选用不同的功率分配因子，以最大化源节点到目的节点的和速率；
步骤3：每个中继节点i在第一阶段接收到信号的速率为r1,i＝log2(1 pihiαi)，每个中继节点i在第一阶段捕获到的能量为
pi表示源节点在第i个频谱上分配的功率，hi表示源节点到中继节点i的信道增益，αi表示中继节点i的功率分配因子，ξ表示能量转换效率，gi表示中继节点i到目的节点的信道增益；
步骤4：根据步骤1、步骤2、步骤3所描述，建立如下数学模型：
s.t.0≤αi≤1①
约束①表示功率分配因子约束，约束②表示总功率约束；
步骤5：求解αi，求解αi时，我们先令源节点在每个频谱上分配的功率已知，又因为对于经过某个中继节点的传输速率由第一阶段和第二阶段中速率较小的决定，因此，当r1,i＝r2,i时，ri最大，即log2(1 pihiαi)＝log2(1 ξpihigi(1-αi))，求得最优
步骤6：对于求得的αi*，原问题转化为如下形式：
步骤7：证明当
步骤8：对于问题q2，转化成如下拉格朗日乘数方程：
令其极值为0，即
步骤9：通过注水算法求得pi；
步骤10：将步骤9求得的pi带入公式
步骤11：结束。
进一步，所述步骤9中，通过注水算法求pi的过程如下：
通过步骤8求得
本发明的有益效果为：根据设计的一种无线携能通信中继网络，提出了一种最大化传输和速率方法。通过源节点在不同频谱上设置合适的功率、每个中继节点设置合适的功率分配因子，从而求得最大的传输和速率，提升网络的吞吐量。
附图说明
图1为无线携能通信中继网络的系统模型；
图2为接收机架构示意图，ps为功率分配模块，id为信息解码模块，eh为能量捕获模块；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参照图1、图2，一种无线携能通信中继网络中最大化传输和速率方法，包括如下步骤：
步骤1：源节点通过中继节点与目的节点进行通信，假设源节点与目的节点不能直接通信，只能通过中继节点进行通信，且源节点知道所有信道状态信息(csi)，通信的整个过程在一个时隙内完成，在这个时隙内分为第一阶段和第二阶段，每个阶段各占用1/2的时隙；
步骤2：第一阶段源节点在不同的频谱上分配不同的功率给中继节点传输携能信号，中继节点将接收到的信号一部分转化为能量，一部分解码为信息，对于转化为能量的部分，用于在第二阶段转发信息使用；在第二阶段，每个中继节点通过捕获到的能量以恒定功率将第一阶段解码的信息转发给目的节点；在源节点发射总功率的约束条件下，通过在不同频谱上分配不同的功率、每个中继节点选用不同的功率分配因子，以最大化源节点到目的节点的和速率；
步骤3：每个中继节点i在第一阶段接收到信号的速率为r1,i＝log2(1 pihiαi)，每个中继节点i在第一阶段捕获到的能量为
pi表示源节点在第i个频谱上分配的功率，hi表示源节点到中继节点i的信道增益，αi表示中继节点i的功率分配因子，ξ表示能量转换效率，gi表示中继节点i到目的节点的信道增益；
步骤4：根据步骤1、步骤2、步骤3所描述，建立如下数学模型：
s.t.0≤αi≤1①
约束①表示功率分配因子约束，约束②表示总功率约束；
步骤5：求解αi，求解αi时，我们先令源节点在每个频谱上分配的功率已知，又因为对于经过某个中继节点的传输速率由第一阶段和第二阶段中速率较小的决定，因此，当r1,i＝r2,i时，ri最大，即log2(1 pihiαi)＝log2(1 ξpihigi(1-αi))，求得最优
步骤6：对于求得的αi*，原问题转化为如下形式：
步骤7：证明当
步骤8：对于问题q2，转化成如下拉格朗日乘数方程：
令其极值为0，即
步骤9：通过注水算法求得pi；
步骤10：将步骤9求得的pi带入公式
进一步，所述步骤9中，通过注水算法求pi的过程如下：
通过步骤8求得
针对该无线携能通信中继网络所确定的场景来说明本发明的具体实施方案。
首先我们设计了一种无线携能通信中继网络场景，该场景中源节点与目的节点无法直接通信，只能通过中继节点进行通信，且源节点知道所有的信道状态信息。传输的过程是在一个时隙中分成两个阶段。第一阶段：源节点通过在不同的频谱上分配不同的功率，给中继节点传输携能信息，中继节点将接收到的信号一部分转化为能量，一部分解码为信息。第二阶段：中继节点通过捕获的能量以恒定功率将第一阶段解码的信息转发给目的节点。在总功率的约束条件下，目标是最大化传输和速率。
接着，建立相应的数学模型对该场景进行求解。在求解时，我们假设源节点的功率分配已知，对于某一个中继而言，为了最大化该中继的转发速率，我们应将第一阶段和第二阶段的传输速率相等，从而求解最优的αi。
最后，通过拉格朗日乘数法求得
1.一种无线携能通信中继网络中最大化传输速率方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1：源节点通过中继节点与目的节点进行通信，假设源节点与目的节点不能直接通信，只能通过中继节点进行通信，且源节点知道所有信道状态信息(csi)，通信的整个过程在一个时隙内完成，在这个时隙内分为第一阶段和第二阶段，每个阶段各占用1/2的时隙；
步骤2：第一阶段源节点在不同的频谱上分配不同的功率给中继节点传输携能信号，中继节点将接收到的信号一部分转化为能量，一部分解码为信息；对于转化为能量的部分，用于在第二阶段转发信息使用；在第二阶段，每个中继节点通过捕获到的能量以恒定功率将第一阶段解码的信息转发给目的节点；在源节点发射总功率的约束条件下，通过在不同频谱上分配不同的功率、每个中继节点选用不同的功率分配因子，以最大化源节点到目的节点的和速率；
步骤3：每个中继节点i在第一阶段接收到信号的速率为r1,i＝log2(1 pihiαi)，每个中继节点i在第一阶段捕获到的能量为
pi表示源节点在第i个频谱上分配的功率，hi表示源节点到中继节点i的信道增益，αi表示中继节点i的功率分配因子，ξ表示能量转换效率，gi表示中继节点i到目的节点的信道增益；
步骤4：根据步骤1、步骤2和步骤3所描述，建立如下数学模型：
s.t.0≤αi≤1①
约束①表示功率分配因子约束，约束②表示总功率约束；
步骤5：求解αi，由于速率ri＝min(r1,i,r2,i)，当r1,i＝r2,i时，求得最优的
步骤6：对于求得的αi*，原问题转化为如下形式：
步骤7：证明当
步骤8：对于问题q2，求得如下拉格朗日乘数方程：
然后求得
步骤9：用注水算法求得pi；
步骤10：将步骤9求得的pi带入公式
2.如权利要求1所述的一种无线携能通信中继网络中最大化传输速率方法，其特征在于，所述步骤9中，通过注水算法求pi的过程如下：
通过步骤8求得
