基于信息新鮮度的無線感知網絡隨機接入選擇策略優化研究

胡封曄, 金 馳, 鄭嘉寧

(吉林大學 通信工程學院， 吉林 長春 130012)

0 引 言

時效性是信息的重要屬性，尤其在智能制造、自動駕駛、實時監測等領域，信息的重要性通常隨著時間的推移而急劇下降[1-2]。為衡量信息的時效性，信息年齡的概念被提出，其含義是指從信息生成到當前時刻的時間差。對于任意時刻而言，信息年齡越小，其信息新鮮度越高[3]，對于物聯網實時監測系統與狀態更新系統而言，信息新鮮度是保障實時決策可靠性與準確性的關鍵因素[4]。不同于傳統數據通信的端到端時延，實時更新類應用更加關注信息隨時間老化而導致的信息量降低，因此，如何保證數據的高效可靠傳輸是亟待解決的問題。

在無線感知網絡中，由于傳感器設備通常只能在單一頻段進行工作，多個傳感器需采用分時技術進行接入，因此每個傳輸時隙內僅支持單個傳感器進行數據回傳。與此同時，為提高信息新鮮度，通常期望所有信息采集節點能夠在完成數據感知后立刻進行數據回傳，任意傳感器占用當前時隙進行數據回傳，必然會導致其他傳感器信息年齡的增加[5]。因此，通過調度各傳感器的接入行為可獲得最優的接入策略，使得無線感知網絡在滿足各傳感器吞吐量需求的前提下提升信息新鮮度。

能量受限是無線感知網絡面臨的另一關鍵難題[6-7]，為延長無線感知網絡生命周期，無線能量傳輸技術被提出，并被視作解決無線傳感器能量受限問題最具潛力的方案之一[8]。無線能量傳輸技術以射頻信號為載體實現電能傳輸，可消除電池更換與電線纏繞帶來的不便，甚至替代傳統電池，進而提升電子設備的移動性、便攜性與安全性，為處于危險區域或不便進行有線連接的無線傳感器進行持續穩定的能量供應[9-10]。

目前,無線感知網絡信息新鮮度優化相關研究逐漸增加，但存在兩個問題：首先，少有結合無線能量傳輸技術與信息新鮮度優化的傳輸方案；其次，信息新鮮度優化調度復雜度較高，尤其是實時調度類方案,通常需要耗費大量算力與時間成本。

因此，我們設計了基于信息新鮮度的隨機接入傳輸策略，在已知信道增益概率密度分布特性條件下，僅需進行單次計算，即可保證較長時間內的信息新鮮度優化。

1 基于SWIPT的中繼協作傳輸模型

無線供能感知網絡系統如圖1所示。

系統包括一個混合接入節點HAP(Hybrid Access Point)與M個無線供能傳感器。假設HAP節點配有單個天線并連接至穩定的能量源，負責傳感器節點的下行能量傳輸與上行數據匯聚；傳感器節點由于成本與尺寸限制，均只配備單個天線，負責環境數據感知，并利用從HAP處收集到的能量進行數據回傳。HAP與傳感器節點之間的下行信道表示為G，上行信道表示為H。假設信道為準靜態衰落信道，即在任意時隙內信道增益保持不變，而各時隙間信道增益隨機變化。

基于信息新鮮度的單無線感知網絡傳輸協議時隙分配如圖2所示。

圖2 時隙結構

其中每個傳輸幀分為三個階段：接入指令傳輸階段、能量收集階段與數據傳輸階段。傳感器與HAP之間基于隨機選擇策略建立傳輸鏈路在每個傳輸幀的起始時刻，HAP基于概率向量μ=[μ1,μ2,…,μM]從M個傳感器節點中隨機選取一個節點，并在接入指令傳輸階段向該節點發送接入回傳指令，指定該節點在當前傳輸幀的數據傳輸階段進行感知數據回傳。

在能量收集階段，HAP向各個傳感器廣播能量信號，以實現傳感器無線能量供應。對于傳感器而言，假設其電池容量表示為B=[B1,B2,…,BM]，令各傳感器在電量充滿后進行環境感知，并進入等待狀態，傳感器僅在等待狀態下接收到回傳指令時，才進行數據回傳。

2 公式推導

2.1 接入指令傳輸階段

因此，傳感器Si處接收接入指令信號的速率可達

(1)

假設接入指令數據量為CAO，傳輸帶寬為W，為實現接入指令成功傳輸，則需保證

(2)

Ui。

(3)

2.2 能量收集階段

E(i,t)=PEHgEH(i,t)ητ2。

(4)

(5)

(6)

(7)

求得傳感器Si充電所需時長Ki的均值為

(8)

2.3 數據傳輸階段

假設數據傳輸階段持續時長為τ3T，因此傳感器Si進行數據傳輸時的發射功率為

(9)

(10)

假設傳感器Si每次感知的回傳數據量為CDT(i)，傳輸帶寬為W，為實現數據的成功回傳，則需保證

(11)

令使得上式成立的h(i,t)的閾值為hth(i,t)，信道概率密度分布為fH(θDT,x)，其中θDT為信道參數。則有傳感器節點Si與HAP之間數據傳輸成功的概率為

P[h(i,t)≥hth(i,t)]=

Ji。

(12)

2.4 隨機接入性能分析

假設各個傳輸幀初始時刻均按照μ=[μ1,μ2,…,μM]對接入傳感器進行隨機選擇，則傳感器Si在電量充滿后任一時刻，被激活的概率為Uiμi。由于任意時刻的接入選擇彼此獨立，因此傳感器Si電量充滿后等待數據回傳指令時長δi的概率分布為

P(δi=a)=Uiμi(1-Uiμi)a-1。

(13)

等待時長δi的統計特性為

另一方面，隨著非洲豬瘟的蔓延，民間的非理性擔憂帶來了影響，部分消費者減少了豬肉的購買量，江西省內有多個區縣的防治重大動物疫情指揮部辦公室在11月17、18、20日接連發布通知，禁售包括雙匯、博萊、吉安正邦等企業冷鮮（冷凍）豬肉及其產品。

(14)

(15)

傳感器Si的單次回傳信息年齡表達式為

(16)

關注單次回傳信息年齡在整個傳輸時段內的整體表現，可求得其均值為

(17)

對于任一傳感器而言，其工作狀態轉換過程為交錯更新過程，根據交錯更新過程理論，傳感器節點Si處于等待狀態的概率可表述為

(18)

綜上，傳感器節點Si在數據傳輸階段的平均有效回傳頻率可表述為

fe(i)=μiUiPBF(i)Ji。

(19)

基于上述系統模型與數學描述形成并求解優化問題。本策略的優化目標為在保證各傳感器單次回傳有效吞吐量均值的基礎上，最小化單次回傳信息年齡均值的加權和。以指數分布f(λ,x)=λe-λx(x>0)表征信道概率分布進行問題構建與優化，將各階段HAP與傳感器Si之間的信道參數分別設置為λAO(i),λEH(i)與λDT(i)，代入相關算式可知

(20)

[λEH(i)yi]Ki-1e-λEH(i)yi=

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

因此，在指數信道條件下，優化問題轉換為

(26)

其中,目標函數為各傳感器單次回傳信息年齡均值的加權和，wi為傳感器Si的權重因子。C1保證平均有效回傳頻率需超過系統所需最低頻率αi。C2限制各傳感器隨機接入頻率總和不超過1，若總和小于1，則將差值設置為μidle，表示該時刻不進行節點選擇。

通過求解KKT條件，可求得最優接入概率表達式為

(27)

3 仿 真

100個傳輸幀內隨機策略與優化策略下,各傳感器節點的信息年齡變化情況對比如圖3所示。

(a) 優化策略 (b) 隨機策略

從圖3可以看出，隨著時間的增加，電池電量已滿但未成功回傳數據的傳感器節點信息年齡不斷增加，成功傳輸的傳感器節點信息年齡恢復為0。

由圖3可知，在該傳輸時段內，優化后的策略在峰值信息年齡與成功回傳次數方面均表現更優。

隨機接入概率優化前后系統性能對比分別如圖4和圖5所示。

設置接入控制指令數據量為5 KB，傳輸幀時長T=1 s，各時間段時長按照τ1=0.1 s，τ2=0.4 s，τ3=0.5 s進行分配。假設網絡中包含N=8個傳感器節點，傳感器能量轉化效率η=0.7，回傳頻率需求αi=0.1。

圖4 加權信息年齡

從圖4可以看出，100次試驗中隨機接入概率與優化接入概率條件下的加權信息年齡及其均值表現，相比之下，優化后的加權信息年齡整體低于隨機情況，且極差更小，整體性能表現更為穩定。其中優化前后的加權信息年齡均值分別為42.28與86.09，平均信息年齡降低率達50.89%。

圖5 實時加權信息年齡

從圖5可以看出，200個傳輸幀內各傳感器節點實時信息年齡的變化情況。在初始時刻，各傳感器實時信息年齡從0逐漸增加,并達到相對穩定狀態。可知，優化后的傳輸策略在整體性能上大幅提升，且在實時信息年齡方面有所改進。

4 結 語

針對無線感知網絡能量受限問題與信息時效性需求，開展了基于信息新鮮度的無線感知網絡隨機接入選擇策略優化研究。首先應用無線能量信息傳輸技術為無線感知網絡提供持續、穩定、可控的無線能量供應。為保證信息時效性，引入信息年齡作為衡量指標，在數據信息回傳頻率約束下，以最小化長期信息年齡均值為優化目標構建優化問題，采用拉格朗日乘子法求得最佳隨機接入選擇概率。仿真結果表明，本策略可有效降低實時信息年齡與加權信息年齡均值，提升回傳信息時效性，在已知信道概率分布條件下，可有效降低算力成本。