一种上行随机接入系统中基于信息年龄的状态更新方法

本发明属于物联网状态信息更新，特别是涉及一种上行随机接入系统中基于信息年龄的状态更新方法。

背景技术：

1、近些年随着传感器技术的不断突破，物联网应用得到很好的发展。在很多物联网监测控制应用中，控制中心需要获取目标实时的状态，这就需要物联网中的机器节点不断采集被监测目标的实时状态信息并将其发送给控制中心，以帮助控制中心掌握目标当前的状态，进而完成监测控制任务。为准确刻画系统的状态更新性能，本发明采用信息年龄作为状态更新系统指标。信息年龄这一概念最早在(s.k.kaul,r.d.yates,and m.gruteser,“real-time status:how often should one update”in proc.ieee infocom,orlando,fl,usa,2012,pp.2731–2735.)中被提出，其定义为接收端收到的最新的数据包的产生时间与当前时间的差值。

2、在很多场景中，机器节点的数量较多，因此，采用传统的基于授权的接入方法很可能会引起较大开销信令和接入时延。更为重要的是，在物联网中，机器节点发送的数据包通常很短，其块长度可以下降到数百个信道使用，其中信道使用数为数据包在无线信道传输时所占用的时频资源块数量。与短数据包的传输时间相比，传统的基于授权的接入方法具有显著的接入延迟，这会大大降低状态数据包的传输效率。对此，本发明中采用的随机接入方式使得发端无需接收端授权便可直接发送数据包，避免了接入时延开销，从而极大提升了传输效率，受到学术界和工业界的广泛关注。

3、虽然随机接入提供了一种有效的状态更新方法，但设计有效的方案来改善状态更新的新鲜度仍然是一个棘手的问题。这是因为随机接入使得网络去中心化了，每个机器节点很难知道其他机器节点的发送行为。因此，多个机器节点很可能会选择同一个时频资源块发送数据包，这就不可避免地产生了数据包碰撞。对此，控制机器节点发送数据包的频率是缓解数据包碰撞的一个有效方式。

4、文献(x.sun,f.zhao,h.h.yang,w.zhan,x.wang,and t.q.s.quek,“optimizingage of information in random-access poisson networks,”ieee internet thingsj.,vol.9,no.9,pp.6816–6829,may 2022.)令每个需要发送数据包的机器节点以一定的概率接入网络，并通过优化接入概率和数据包到达速率来改善状态更新性能。文献(y.h.baeand j.w.baek,“age ofinformation and throughput in random access-based iotsystems with periodic updating,”ieee wireless commun.lett.,vol.11,no.4,pp.821–825,apr.2022.)通过优化机器节点给接收端更新信息的频率从而降低了周期状态更新系统中的平均信息年龄。

5、现有技术方案大多考虑非实时的接入控制方案，这种接入控制方案有一个明显的缺点，即机器节点们不能根据当前系统状态自适应地调整发送策略。例如，当控制中心处的信息足够新鲜时，机器节点发送数据包不能显著降低控制中心处的信息年龄，并且可能与其他机器节点们发生碰撞，从而降低整体状态更新性能。相反，当在控制中心的信息年龄很大，控制中心急需更新时，机器节点可能受到访问机制的限制，而不能发送数据包。在实际系统中，机器节点可以通过控制中心的反馈而获知发送的数据包是否被成功接收，从而知道控制中心处的信息年龄。此时，机器节点们可以利用自身和控制中心处的信息年龄动态调整自身的发送策略。比如当控制中心处的信息年龄较大而自身信息年龄较小时，此时机器节点选择发送数据包，可以有效改善控制中心处的信息新鲜度；否则，机器节点选择保持静默，避免与其他机器节点发送的数据包碰撞，从而改善了系统整体的状态更新性能。

技术实现思路

1、本发明目的在于解决上述背景技术中提出的问题，提供物联网技术领域下一种上行随机接入系统中基于信息年龄的状态更新方法，该方法充分利用机器节点和控制中心处的信息年龄，优化每个时隙内机器节点们的发送策略。在随机接入框架下，该方法将最小化系统平均信息年龄问题建模为马尔科夫决策过程，进一步通过变量替换，将机器节点们的接入策略设计问题转变为一个线性规划问题，并得到最佳的接入方案。基于此方案，机器节点在实际状态更新过程中可根据自身和控制中心处的信息年龄动态调整发送策略，从而在缓解系统数据包碰撞的同时，有效提高控制中心处的信息新鲜度，降低了控制中心处的平均信息年龄。

2、为了实现本发明目的，本发明公开了一种上行随机接入系统中基于信息年龄的状态更新方法，上行随机接入系统包含k个机器节点和一个控制中心，机器节点均配备单天线；每个机器节点均监测各自对应的一个目标，在每个时隙内以概率pg采样一次目标状态信息，并将其封装成数据包存储在缓存中；随后，每个机器节点根据当前机器节点和控制中心处的信息年龄来决定是否在该时隙发送状态数据包；系统中共存在m个信道，当机器节点决定发送一个数据包时，将从m个信道中随机选择一个信道进行发送；为了避免远近效应，机器节点们采用反转功率控制机制，使得每个机器节点发送的数据包到达控制中心处的平均信噪比相同；由于机器节点数量k较多，k＞m，系统无法给每个节点提前单独分配信道，同时为了降低接入时延以提高状态数据包的传输效率，本系统中机器节点采用随机接入的方式发送数据包，即机器节点发送数据包无需经过控制中心的授权，这也使得控制中心无法协同调度机器节点们的传输行为。为了改善系统的状态更新性能，提高控制中心处的信息新鲜度，提出一种上行随机接入系统中基于信息年龄的状态更新方法，具体包括以下步骤：

3、步骤1、状态更新方案设计；以每个时隙内机器节点和控制中心处的信息年龄作为在该时隙的系统年龄状态，针对每个节点可能出现的系统年龄状态，优化对应的发送策略，以降低控制中心侧的平均信息年龄，并将优化后的方案存储到机器节点中；

4、步骤2、机器节点获取系统年龄状态；在每个时隙，控制中心成功接收到数据包后给机器节点反馈成功接收信号，否则反馈失败接收信号，每个机器节点根据该反馈信号计算每个时隙控制中心的信息年龄，并查看其缓存内数据包的年龄，由此每个机器节点可知一个时隙内对应的系统年龄状态；

5、步骤3、机器节点发送状态数据包；在每个时隙开始的时候，机器节点获知当前系统年龄状态后，查找此状态下的发送策略，并基于此将决定是否发送缓存内的数据包；

6、步骤4、控制中心更新状态信息；若控制中心在某个时隙成功接收到一个数据包，控制中心替换掉原来的数据包，新的数据包的年龄即为当前控制中心处的信息年龄；之后重复进行步骤2、步骤3和步骤4。

7、进一步地，机器节点采用的反转功率控制机制为：当一个机器节点距离控制中心的距离为d时，该机器节点的发送功率为p＝p0dα，其中，p0为控制中心处的期望接收功率，α为路径衰落因子。

8、进一步地，各机器节点采取随机接入的方式给控制中心发送数据包的方式为：当某个机器节点需要发送数据包时，从m个信道中随机选择一个信道进行发送。

9、进一步地，为了提高机器节点发送的数据包的新鲜度，在机器节点处采用替换策略，即当一个机器节点产生一个新的数据包后会将缓存中原来旧的数据包去掉，并将新的数据包放在缓存中等待发送。

10、进一步地，接入方案设计问题被建模为马尔科夫决策过程，对于任一机器节点，马尔科夫决策过程的状态空间、行动空间、转移概率为：

11、状态空间具体为，在第t个时隙的系统状态st为st＝(δm(t)，δb(t))，其中δm(t)为第t个时隙机器节点处的信息年龄，即机器节点缓存的数据包的年龄，δb(t)为第t个时隙控制中心处的信息年龄；

12、行动空间具体为，在每个时隙，根据当前系统状态，机器节点决定是否发送缓冲区中的数据包；机器节点在第t个时隙的发送行为at有两种可能，at＝1表示机器节点在第t个时隙发送数据包，at＝0表示机器节点在第t个时隙静默；

13、转移概率具体为，转移概率pr(st+1|st，at)表示在第t个时隙系统状态为st时，机器节点采取行动at，第t+1个时隙系统状态变为st+1的概率；状态转移概率表示为

14、pr((δm(t)+1，δb(t)+1)|(δm(t)，δb(t))，at＝0)＝1-pg

15、pr((0，δb(t)+1)|(δm(t)，δb(t))，at＝0)＝pg

16、pr((δm(t)+1，δb(t)+1)|(δm(t)，δb(t))，at＝1)＝(1-pg)(1-psuc)

17、pr((0，δb(t)+1)|(δm(t)，δb(t))，at＝1)＝pg(1-psuc)

18、pr((δm(t)+1，δm(t)+1)|(δm(t)，δb(t))，at＝1)＝(1-pg)psuc

19、pr((0，δm(t)+1)|(δm(t)，δb(t))，at＝1)＝pgpsuc

20、其中，psuc＝(1-ε)(1-pc)为机器节点发送一个数据包被控制中心成功接收的概率，ε为一个数据包在未被碰撞的情况下仍被控制中心解码失败的概率，pc为一个数据包被碰撞的概率。

21、进一步地，本发明提出的方案是概率化方案，当系统处于状态s＝(δm，δb)时，机器节点发送数据包的概率为并将接入方案设计问题转化为线性规划问题，优化状态空间中所有状态的得到最佳的接入方案。

22、进一步地，针对机器节点数量较多的场景，控制中心无法协同调度所有节点的发送行为，对此，所提方案为去中心化的，每个机器节点发送数据包无需知道其他机器节点的状态和发送行为。

23、进一步地，步骤2中，在每个时隙，当机器节点给控制中心发送一个数据包后，控制中心会给机器节点反馈是否成功接收该数据包，因此，机器节点不仅可以知道自身信息年龄，还通过反馈信号可以计算出控制中心处的信息年龄。

24、进一步地，步骤3中，对于任一时隙，某个机器节点是否发送数据包仅与当前时隙该机器节点和控制中心处的信息年龄有关。

25、进一步地，为了保证公平性，所有机器节点采取的接入策略是相同的。

26、与现有技术相比，本发明的显著进步在于：1)本发明使得每个机器节点在状态更新过程中无需知道其他机器节点的年龄状态和发送行为，可以根据所提方法自主确定发送策略，极大减少了信息交互；2)本发明使得机器节点利用自身和对应控制中心处的信息年龄动态调整机器节点的发送策略，在缓解随机接入网络中数据包碰撞的同时，有效降低了控制中心处的信息年龄，提高了系统的状态更新性能。

27、为更清楚说明本发明的功能特性以及结构参数，下面结合附图及具体实施方式进一步说明。