一种基于信息年龄和阈值策略的状态更新方法

本发明涉及无线通信，具体为一种基于信息年龄和阈值策略的状态更新方法。

背景技术：

1、随着网络接入点的普及以及传感器技术的飞速发展，物联网(internet ofthings，iot)设备的应用领域也在逐渐扩大，尤其在互联汽车、互联建筑、互联校园在内的互联产业。iot设备信息的高时效性能够为系统使用者提供更高的价值，信息时效性在数据科学时代变得更为重要，为了进一步衡量数据动态更新过程对于信息时效性的作用，即信息新鲜度，在学术界中，引入了信息年龄(age of information，aoi)作为一项较新的性能指标，用于衡量信息的新鲜程度，具体而言，aoi被定义为当前时间减去接收端最新接收到数据包的生成时间，即数据包的年龄。

2、aoi作为性能指标有两个好处，第一个是aoi在描述信息的及时性方面区别于时延和吞吐量带来了全新的概念，信息年龄和时延最大的区别在于，信息年龄不仅仅包含信息的传输时延，还包括信息在源节点的等待时间，第二个是在大规模无线通信系统中，描述信息新鲜度是十分重要的。大多数iot传感器采用电池进行能量储藏，而电池不仅无法在特殊的环境中持续工作，甚至替换电池也是较为耗费资源的过程，为了从根本上解决设备的能量供应问题，学者们提出了从环境中收集可再生能量的方式来延长设备的生存时间，通过太阳能、风能等绿色能量转换为电能的方法来保证设备的能量供应，从而降低设备的维护成本，采用能量收集(energy harvesting，eh)技术的传感器可以将收集到的能量存储到电池，也可以直接使用该能量发送数据。我们需要设计一个适当的能量分配算法，最大限度地优化能量分配，以保证系统持续稳定运转，为此，我们提出了一种基于信息年龄和阈值策略的状态更新方法。

3、参考文献：

4、[1]hatami m,leinonen m,codreanu m.aoi minimization in status updatecontrol with energy harvesting sensors[j].ieee transactions oncommunications,2021,69(12):8335-8351.

5、[2]kaul s,yates r,gruteser m.real-time status:how often should oneupdate？[c]//2012proceedings ieee infocom.ieee,2012:2731-2735.

技术实现思路

1、发明目的：本发明解决的技术问题是在环境参数(能量收集概率，传输正确概率)已知的条件下实现用户接收数据包信息年龄的最小化，即

2、

3、式中，c(t)＝δ(t+1)，表示用户收到物理量f的信息的及时程度。

4、技术方案：本发明所述的一种基于信息年龄和阈值策略的状态更新方法，所述方法包括以下：

5、物联网系统由传感器、边缘节点、用户组成；

6、所述传感器通过收集环境能量维持运行，并且其根据边缘节点的指令来测定特定的物理量并向边缘节点发送最新的物理量；

7、所述边缘节点将传感器发送的最新物理量保存在缓存中；

8、边缘节点会根据用户请求情况和系统状态对物理量的更新进行控制，并将缓存中最新的物理量发送给请求的用户。

9、所述根据用户请求和系统状态对物理量的更新进行控制的具体方法包括：

10、设传感器节点到边缘节点链路的传输成功概率ξ，传感器最大电池容量bmax，物理量的最大信息年龄δmax，计数值n＝0，计数最大值n，时隙个数t，折扣系数γ∈(0,1]。

11、设时隙t传感器电池能值bt，边缘节点缓存中的物理量的信息年龄为δt。

12、对于每一幕的每个时隙执行步骤一至步骤八。

13、步骤一、初始化参数：从0到bmax区间内均匀地随机选择一个数赋值予传感器电池阈值bth，初始化g为false，参数a＝1，b′＝2。

14、步骤二、判断g是否为true，若是，则转至步骤四；若否，则转至步骤三。

15、步骤三、传感器收集能量，处于蓄能阶段，边缘节点不更新缓存中的物理量，进入步骤五。

16、步骤四、传感器蓄能结束，进入步骤六。

17、步骤五、边缘节点没有成功更新或者不更新缓存中的物理量，则边缘节点向用户发送缓存中旧物理量，物理量的信息年龄δt自增，更新状态st＝(bt,δt)，物理量的信息年龄δt可以表示为：

18、δt+1＝min{δt+1,δmax}，        (1)

19、进入步骤九。

20、步骤六、边缘节点根据基于电池能值bt的参数a和b′的信息年龄阈值公式

21、

22、计算θaoi(bt)，

23、

24、

25、式中，x为当前的电池能值，若δt>θaoi(bt)且bt>0，边缘节点向传感器发送状态更新指令，转至步骤七；否则，边缘节点不向传感器发送状态更新指令，转至步骤五。

26、步骤七、设ht∈{0,1}表示边缘节点是否成功更新缓存中的物理量，如果ht＝1，表示边缘节点成功更新缓存中的物理量；否则，边缘节点不更新缓存中的物理量；判断边缘节点是否成功更新缓存中的物理量，若是，则转至步骤八；若否，则转至步骤五。

27、步骤八、边缘节点向用户发送最新的物理量，物理量的信息年龄δt＝0，更新状态st＝(bt,δt)，进入步骤九。

28、步骤九、判断传感器运行的时隙个数是否大于t，若是，则转至步骤十；若否，则转至步骤二。

29、步骤十、计数值n加一，判断计数值n是否大于n，若是，则转至步骤十一；若否，则转至步骤一。

30、步骤十一、记录每幕中，系统状态st＝(bt,δt)和相应的奖励ct，t＝1,2,…,t，找出每幕中δt＝1的电池能值bt，然后从(bt,1)的时隙t开始，采集t′个时隙长度，对应系统状态为(bi,δi)相应的奖励ci，i＝t,t+1,t+2,…,t+t′，t+t′远小于t，然后按照公式(5)计算(bt,1)的估计值，

31、

32、式中，ct表示时隙t用户收到数据的及时程度即ct＝δt+1；

33、循环多幕得到系统状态为(bt,1)的全部估计值按照公式(6)对其取p次幂平均，获得系统状态为(bt,1)的估计值

34、

35、式中，n表示中估计值的个数。

36、步骤十二、通过公式(3)，使用非线性最小二乘法拟合系统状态为(bt,1)对应的更新参数a和b′。

37、经过c次迭代寻优后，获得最优的参数和本发明的有益效果是：

38、在许多新兴无线通信技术应用中，迫切需要保证感知数据收集的及时性。可充电无线传感网可完全依靠捕获的能量工作，大大拓宽了其应用领域。由于传感器充电过程与通信过程的互相耦合，其工作状态受到信道状态、传输功率和电池能量状态等多因素的制约。本发明使用信息年龄作为评估状态信息更新及时性的一个度量指标；传感器配备有限容量的可充电电池，边缘节点的缓存存储了每个传感器的最新测量数据，用户向边缘节点发出请求，为了处理用户的请求，边缘节点要么指令传感器发送状态更新给边缘节点，再将新数据发送给用户，要么使用缓存中旧数据发送给用户，针对最小化用户的长期平均信息年龄这一问题，使用强化学习中的蒙特卡洛方法对该问题进行优化。因环境获取能量的不稳定性，本发明提出的基于信息新鲜度的电池阈值的延迟调度算法此问题。本发明在诸多领域有广泛的应用前景，例如工业自动化：在工业自动化领域中，能量收集传感器可以利用机器的振动、温度等能量来供电，实现更长时间的运行，并减少线路布置的复杂性。在智能建筑领域中，能量收集传感器可以利用室内外的太阳能、热能等能量来供电，实现对建筑物各个方面的监测和控制，从而提高能源利用效率。在环境监测领域中，能量收集传感器可以利用自然环境中的能量来供电，实现对大气、水质、土壤等环境参数的监测和控制，从而提高环境管理的效率。