一种基于低时延中继的信息年龄优化方法及系统

本发明属于无线通信领域，特别是涉及一种基于低时延中继的信息年龄优化方法及系统。

背景技术：

1、未来的工业物联网(iiot)网络有望支持延迟关键型应用，如远程手术、紧急救援和工业自动化。特别是在工业物联网场景中，对用于决策的信息的时延要求非常高，因而网络需要及时收集设备状态等信息并及时通过网络传输到决策单元。在该类网络的设计中，所收集信息的新鲜度往往成为评价系统性能的重要指标之一。

2、近年，为了权衡新鲜信息带来的收益和快速收集过程带来的成本，一种可量化的数据新鲜度指标——信息年龄(age of information，aoi)被提出。信息年龄定义为从在目的地生成最新接收到的状态更新以来所经过的时间。根据定义，与任何常规指标不同，信息年龄由传输间隔和传输延迟共同决定。因此，信息年龄作为一种更为全面的信息新鲜度评价标准越来越受到人们的关注。信息年龄被广泛应用于多种实时信息传输场景，如交通网络、无线网络和各种延迟敏感网络的调度和资源分配场景等。

3、然而，在无线传输中，因为路径损耗大、信道随机、无直视径等原因往往造成传输失败，这对信息年龄造成了直接的负面影响。在现有的多种对信道受限场景下无线通信可靠性性能增强方案中，多跳中继网络因其可以带了更好的传输信道、更高的解码信噪比(signal to noise ratio,snr)等优点被广泛应用。然而，在端到端时延受限的传输通场景下，多跳中继的引入使得每一跳的传输时间长度更短，使得性能受到来自有限码长(finiteblocklength，fbl)的影响。在fbl传输场景，基于fbl理论，传输码长的减少会直接增加解码错误概率，而snr的增强会降低解码错误率。因而，多跳中继所引入的每一跳的snr和码长之间的折衷机理，直接影响每一跳的传输可靠性，并进一步影响端到端的信息年龄性能。而关于中继跳数、各跳码长分配等要素之间的折中机理尚不明确，需要解决传输时间和传输错误概率之间的权衡，并提供有效的码长度确定算法。

技术实现思路

1、本发明针对低时延中继网络的信息年龄开展研究，通过设计多中继方式提高端到端传输的数据新鲜度；通过引入面向信息年龄的分配算法，假设在有限码长度(fbl)体制下传输中对中继网络的信息年龄性能进行了表征与联合优化，实现多中继下最小化信息年龄的资源管理。

2、基于上述问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于低时延中继的信息年龄优化方法，包括以下步骤：

4、步骤1：基于通过译码转发原理工作的多中继传输场景，利用有限码长域理论对传输过程的总体解码错误概率进行表征，

5、步骤2：基于多中继传输场景网络中每个更新周期的信息年龄来表征当前更新周期的平均信息年龄；并得到全部更新周期的整体平均信息年龄，构建以分配码长为优化变量的整体平均信息年龄最小化的优化问题；

6、步骤3：基于步骤2中构建的优化问题，构造基于可行码长度的凸近似得到最小化近似函数；对第i跳中继传输的错误概率凸近似得到近似后的错误概率得到对于各跳码长之间联合凸的凸优化问题；

7、步骤4：基于步骤3中的凸优化问题，利用连续凸近似连续迭代，迭代收敛求解所构建凸优化问题得到最小化平均信息年龄下最优码长分配。

8、进一步地，所述步骤1中的多中继传输场景包括主动源和目的地，所述主动源和目的地之间实现中继，n-1个中继随机位置放置在主动源和目的地之间。

9、进一步地，所述步骤1中的总体解码错误概率ε0为：

10、ε0＝1-π(1-εi),i∈{1,2…n}

11、其中，εi为第i跳中继传输的错误概率，εi＝ε(γi,mi,ri)

12、

13、其中，γi为第i跳的信噪比、mi为第i跳的码长、ri为第i跳的编码率，ε(γi,mi,ri)表示εi是关于γi,mi,ri三个变量的概率函数，q()表示q函数，c(γi)＝log2(1+γi)表示香农容量，表示信道色散。

14、进一步地，步骤2中当前更新周期的平均信息年龄e[δ(τ)(xk,t)]为:

15、

16、其中，t为多跳传输系统当前更新周期即多跳传输系统的总时延，xk表示在当前周期之前的第k个周期的数据包解码成功，之后的k-1个数据包解码失败的事件；

17、基于所有事件xk，整体平均信息年龄e[δ]表示为:

18、

19、其中，p(xk)表示事件xk发生的概率。

20、进一步地，多跳传输系统的总时延t表示为：

21、t＝m1·ts+m2·ts+m3·ts+…+mn·ts+(n-1)·td,i∈{1,2…n}

22、其中，d表示主动源产生的数据包的数据量，m1表示第一跳的码长，m2表示第一跳的码长，m3表示第三跳的码长、mn表示第n跳的码长，其中i表示中继网络传输过程中跳的次数，n为总跳数；ts表示符号持续时间，td表示中继的处理延迟时间。

23、进一步地，所述步骤2中的优化问题为：

24、

25、其中，f(m1,m2,…mn)是关于多跳码长(m1,m2,…mn)的非凸函数。

26、进一步地，所述步骤3中具体包括：

27、构造基于可行码长度的凸近似得到最小化近似函数；

28、对第i跳中继传输的错误概率εi中的q函数建立凸近似得到近似后的错误概率，利用近似后的错误概率和通过最小化近似函数来最小化整体平均信息年龄得到关于f(m1,m2,…mn)的完全凸近似函数

29、进一步地，对于各跳码长之间联合凸的凸优化问题为：

30、

31、其中，为对第i跳中继传输的错误概率εi中的q函数建立凸近似得到近似后的错误概率。

32、另一方面，本发明提供一种基于低时延中继的信息年龄优化系统，包括：

33、模块一，其用于基于通过译码转发原理工作的多中继传输场景，利用有限码长域理论对传输过程的总体解码错误概率进行表征，

34、模块二，其用于基于多中继传输场景网络中每个更新周期的信息年龄来表征当前更新周期的平均信息年龄；并得到全部更新周期的整体平均信息年龄，构建以分配码长为优化变量的整体平均信息年龄最小化的优化问题；

35、模块三，其用于基于构建的优化问题，构造基于可行码长度的凸近似得到最小化近似函数；对第i跳中继传输的错误概率凸近似得到近似后的错误概率得到对于各跳码长之间联合凸的凸优化问题；

36、模块四，其用于基于凸优化问题，利用连续凸近似连续迭代，迭代收敛求解所构建凸优化问题得到最小化平均信息年龄下最优码长分配。

37、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

38、(1)本发明针对有限码长通信场景，推导出了端到端多中继协作传输网络平均信息年龄的闭式表达，提出了面向系统平均信息年龄最小化的多维码长资源管理算法。

39、(2)本发明为解决所设计的包含多个变量的非凸联合优化问题，针对单中继两跳传输和多中继多跳传输两个场景，利用算术几何均值不等式和q函数近似的方法构造了目标函数的凸近似，并利用连续凸近似的迭代算法得到了局部最优解。

40、(3)本发明具有较高收敛性和对中继数量的较高鲁棒性，可在多中继有限码长通信场景中为系统最优中继节点数量的设计提供参考。

41、附图内容

42、图1为本发明实施例中一种主动源到目的地之间存在多个中继的信息传输网络模型；

43、图2为本发明实施例中基于低时延中继的信息年龄优化方法的流程图；

44、图3为本发明实施例中基于低时延中继的信息年龄优化方法中迭代算法的收敛效果展示；

45、图4为本发明实施例中基于低时延中继的信息年龄优化方法的性能展示。