随着物联网技术的快速发展,面向实时信息传输的通信应用日益增多。在这些应用中,只有新鲜、及时的那些数据才具有最高的应用价值。例如在自动驾驶应用中,车需与相邻车辆及时分享其位置、方向和速度信息,在环境检测应用中,及时获取环境温度、湿度、以及有害气体信息是保证人类的生命和财产安全的关键。信息年龄(AoI)理论提供了一种量化信息新鲜度的方法和改善实时网络性能的理论基础。基于能量采集和能量传输的双向数据交换技术是环境检测应用的重要支撑。通过观测中心接入点向传感器同时传输能量和指令的方法,可实现可持续、低成本的环境监测任务。然而,在系统能量有限的条件下,观测中心接入点与传感器之间双向传输的时效性和有效性也很有限,且难以同时达到最优。为此,以基于中继的单向数据传输系统为切入点,深入研究系统上、下行数据传输的时效性极限和有效性极限,并设计了加权最优的传输机制。具体来讲,论文包含以下几方面的工作:1.对单向数据传输系统进行建模,通过对信息年龄的样本路径以及平均信息年龄的分析,针对数据包等待时间和到达间隔之间的相关性问题,构造相应的辅助函数,并借此推导出直连链路的系统时间以及平均信息年龄的闭式表达式。接着通过对中继链路的排队模型的分析,推导出中继链路等待和系统时间的分布。借助辅助函数推导出中继链路平均信息年龄的闭式表达式,最后通过仿真分析中继节点给系统时效性带来的影响;2.对双向数据交换系统进行建模,推导下行链路的平均信息年龄和数据速率的闭式表达式,研究上行链路的能量收集过程和服务过程特性,推导上行链路的平均信息年龄和数据速率的闭式表达式;3.从功率分配系数和权重系数两方面分析系统的加权平均信息年龄和数据速率,寻找系统最佳的平均信息年龄和数据速率;4.通过仿真验证所得理论结果,并从功率分配系数和权重系数两方面分析优化系统平均信息年龄和数据速率的具体方案,并从时效性和传输速率两方面比较功分系统和时分系统的性能差异。