[发明专利]一种面向大规模物联网场景的信息年龄最小化接入方法

说明书

本发明提出一种面向大规模物联网场景的信息年龄最小化接入方法，涉及无线通信的技术领域，首先将离散化的时间划分为若干个一定时长占比的小时隙，由中心基站获取网络的用户节点数量与用户节点的数据包到达率，得到网络成功传输概率的状态方程，再优化状态方程中的接入信道概率，通过分析预期最优接入信道概率与单稳态边界最优接入信道概率在(0，1)内的解，得到最优接入信道概率，最终由中心基站将最优接入信道概率告知给各个用户节点，根据最优接入信道概率进行信道接入与数据包的传输，实现网络平均峰值信息年龄的最小化，在实现网络最优的信息时效性的同时保证了网络传输性能的稳定性。

技术领域

本发明涉及无线通信的技术领域，更具体地，涉及一种面向大规模物联网场景的信息年龄最小化接入方法。

背景技术

信息的时效性在众多物联网场景中将直接影响物联网应用的性能，例如环境监测系统、无人机组网、自动驾驶系统或智慧医疗等，物联网应用系统对信息的时效性十分敏感。及时有效的信息可以帮助决策方进行正确的判断，而过时陈旧的信息不仅无法帮助决策方，甚至可能带来误导，进而导致应用性能的急剧下降。因此，如何提升系统的信息时效对保证系统性能至关重要。

信息年龄是用于刻画信息时效性的一个指标，被定义为上一个成功传输的数据包的生成时刻与当前时刻的时间间隔大小。峰值信息年龄被广泛应用于刻画信息年龄，其衡量的是当数据包传输成功前信息年龄所达到的最大值，可以有效衡量网络中用户节点的信息年龄情况，进一步把握网络中每个用户节点的信息时效性强弱。

在物联网应用场景中，由于信道资源有限，网络中的不同用户节点需要共享同个信道资源，若在同一时间有多个用户选择接入信道并传输数据包，就会产生冲突，导致所有用户节点均传输失败。为了避免冲突频繁导致的通信质量下降，如何高效的对网络所有节点进行合理分配与调度一直是大家关心的问题。

大规模物联网的一大特点是用户节点数量大，这将导致在现有的集中式调度方案实施中引起高额的通信开销与控制能耗。所以，针对大规模物联网或传感器网络，需要分布式的方案来解决接入的问题。载波监听多路访问协议(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)在众多物联网通信场景中得到了广泛应用。CSMA协议将时间离散化为若干个小时隙，并支持节点对信道进行监听；节点在监听信道空闲后，会在小时隙初以一定的接入信道概率接入信道，进而完成包的传输。显然，接入信道概率的设计直接决定了CSMA协议的接入质量。

现有方案的接入概率设计中，往往仅关注了吞吐量与时延大小，没有关注信息年龄或是峰值信息年龄的大小，忽略了信息时效性在通信中的价值与意义。实际上，低时延的系统的数据包数量少，而高吞吐量的系统中大量数据包需要在缓存区进行长时间的排队，这均会导致信息年龄很大，信息年龄作为刻画信息价值、衡量信息时效性的通信指标，值得单独进一步的优化。如何在CSMA协议下优化网络的信息年龄目前尚是一个开放的难题。为了进一步提升大规模物联网的系统质量与应用性能，研究如何在CSMA协议下最优化信息年龄是迫切且必要的。

发明内容

为解决面向当前大规模物联网场景，如何最小化峰值信息年龄的问题，本发明提出一种面向大规模物联网场景的信息年龄最小化接入方法，为大规模物联网节点设计基于CSMA协议的网络信息年龄优化方法，确定最优接入信道方案，保证了网络传输性能的稳定性。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种面向大规模物联网场景的信息年龄最小化接入方法，包括：

S1.将数据包传输的时间离散化为等长的时隙，将每个时隙划分为若干个一定时长占比的小时隙；

S2.由中心基站获取网络的用户节点数量与用户节点的数据包到达率，得出网络成功传输概率的状态方程；

S3.优化状态方程中的接入信道概率，分别分析预期最优接入信道概率与单稳态边界最优接入信道概率在(0，1)范围内的解；