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能量收集型短包通信LoRa网络的信息年龄建模与优化

肖舒予 孙兴华 袁岸珊 詹文 陈翔

肖舒予, 孙兴华, 袁岸珊, 詹文, 陈翔. 能量收集型短包通信LoRa网络的信息年龄建模与优化[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT250814
引用本文: 肖舒予, 孙兴华, 袁岸珊, 詹文, 陈翔. 能量收集型短包通信LoRa网络的信息年龄建模与优化[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT250814
XIAO Shuyu, SUN Xinghua, YUAN Anshan, ZHAN Wen, CHEN Xiang. Age of Information for Energy Harvesting-Driven LoRa Short-Packet Communication Networks[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT250814
Citation: XIAO Shuyu, SUN Xinghua, YUAN Anshan, ZHAN Wen, CHEN Xiang. Age of Information for Energy Harvesting-Driven LoRa Short-Packet Communication Networks[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT250814

能量收集型短包通信LoRa网络的信息年龄建模与优化

doi: 10.11999/JEIT250814 cstr: 32379.14.JEIT250814
基金项目: 深圳市科技计划项目 (CJGJZD20240729142100001),广东省基础与应用基础研究基金 (2025A1515010235, 2024A1515012015)
详细信息
    作者简介:

    肖舒予:女,硕士生,研究方向为随机接入的性能分析与优化等

    孙兴华:男,副教授,博士生导师,研究方向为下一代无线通信网络、智能无线网络等

    袁岸珊:男,博士生,研究方向为通感一体化、通信系统性能分析与优化、强化学习等

    詹文:男,副教授,硕士生导师,研究方向为物联网、下一代无线通信网络、强化学习、排队论及其在无线通信中的应用等

    陈翔:男,教授,博士生导师,5G/6G移动通信与物联网、卫星通信、电信大数据等

    通讯作者:

    孙兴华 sunxinghua@mail.sysu.edu.cn

  • 11)尽管功率控制可使节点在接收端维持近似恒定的平均功率,但大尺度衰落仍会引入信道异构性。对此,本文分析框架具有良好的可扩展性:将信道条件相近的节点划分为同构节点组,为各组设置相应的接收端信噪比,分别评估其性能,并按节点数量加权得到异构网络的平均 AoI。类似的分组加权方法已在相关研究中采用,例如文献[16]用于系统吞吐量分析。
  • 22)文献[10]对接收端进行了有效的模型简化,假设一旦网络中出现并发传输,当前所有传输均失败。由此得到的碰撞模型可合理近似并发传输条件下解码错误概率急剧上升的物理层特性,且已被广泛应用于随机接入网络的理论分析中[5]3)尽管碰撞模型忽略了并发传输数量变化对解码错误概率的细微影响,本文结论在SINR模型下仍然成立,因为AoI本质上由更新间隔、成功传输概率与能量收集过程的权衡所决定,该关系不因接收模型而改变。文献[15]的分析亦表明,在SINR模型中较高的成功传输概率通常AoI性能更佳。相比之下,碰撞模型在刻画AoI性能下限的同时提升了模型的可解析性。
  • 中图分类号: TN926.1

Age of Information for Energy Harvesting-Driven LoRa Short-Packet Communication Networks

Funds: Shenzhen Science and Technology Program (CJGJZD20240729142100001), Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation (2025A1515010235, 2024A1515012015)
  • 摘要: 针对工业物联网短包通信的应用场景,该文研究了能量收集驱动短包通信LoRa网络中的信息新鲜度问题。该文将能量队列建模为马尔可夫链,推导出平均信息年龄的一般表达式。进一步地,在最小电池容量与理想无限电池容量两种情况下,给出平均信息年龄优化策略及最优参数的解析解。最后,仿真验证了理论优化结果,并分析了网络各参数对系统性能的影响,为能量收集驱动的工业物联网的设计与优化提供了理论参考。
  • 图  1  系统模型示例图

    图  2  信息年龄演变过程示意图

    图  3  小电池容量情况下状态转移示意图

    图  4  理想无限电池容量情况下状态转移示意图

    图  5  平均信息年龄$ \bar \varDelta _{B=N_x}$关于数据包生成概率的模拟仿真图

    图  6  最小电池容量情况下优化前后平均信息年龄对比以及对应最优参数

    图  7  平均信息年龄$ \bar \varDelta _{B\to\infty }$分别与码长N和数据包生成概率q的模拟仿真图

    图  8  平均信息年龄$\bar \varDelta_{B\to \infty}$与码长N和数据包生成概率q的关系

    图  9  ELR 下优化前后平均信息年龄对比以及联合最优参数

    图  10  ESR 下优化前后平均信息年龄对比以及联合最优参数

    图  11  平均信息年龄$ \bar \varDelta $关于能量到达概率$ \delta$的模拟仿真图

  • [1] ZHAO Fangming, SUN Xinghua, ZHAN Wen, et al. Age-energy tradeoff in random-access Poisson networks[J]. IEEE Transactions on Green Communications and Networking, 2022, 6(4): 2055–2072. doi: 10.1109/TGCN.2022.3210138.
    [2] YUAN Anshan, ZHAO Fangming, and SUN Xinghua. Energy-aware random access networks: Connection-based versus packet-based[J]. IEEE Communications Letters, 2024, 28(9): 2216–2220. doi: 10.1109/LCOMM.2024.3432616.
    [3] YATES R D and KAUL S K. The age of information: Real-time status updating by multiple sources[J]. IEEE Transactions on Information Theory, 2019, 65(3): 1807–1827. doi: 10.1109/TIT.2018.2871079.
    [4] FARAZI S, KLEIN A G, and BROWN D R. Average age of information for status update systems with an energy harvesting server[C]. IEEE Conference on Computer Communications Workshops, Honolulu, USA, 2018: 112–117. doi: 10.1109/INFCOMW.2018.8406846.
    [5] XIAO Shuyu, SUN Xinghua, ZHAN Wen, et al. Information freshness in random access networks with energy harvesting[C]. IEEE Information Theory Workshop, Shenzhen, China, 2024: 127–132. doi: 10.1109/ITW61385.2024.10806920.
    [6] POLYANSKIY Y, POOR H V, and VERDU S. Channel coding rate in the finite blocklength regime[J]. IEEE Transactions on Information Theory, 2010, 56(5): 2307–2359. doi: 10.1109/TIT.2010.2043769.
    [7] DURISI G, KOCH T, ÖSTMAN J, et al. Short-packet communications over multiple-antenna Rayleigh-fading channels[J]. IEEE Transactions on Communications, 2016, 64(2): 618–629. doi: 10.1109/TCOMM.2015.2511087.
    [8] XU Shengfeng, CHANG T H, LIN S C, et al. Energy-efficient packet scheduling with finite blocklength codes: Convexity analysis and efficient algorithms[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2016, 15(8): 5527–5540. doi: 10.1109/TWC.2016.2561273.
    [9] ZHU Yao, HU Yulin, YUAN Xiaopeng, et al. Joint convexity of error probability in blocklength and transmit power in the finite blocklength regime[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2023, 22(4): 2409–2423. doi: 10.1109/TWC.2022.3211454.
    [10] SUN Xinghua, ZHAN Wen, LIU Weihua, et al. Sum rate and access delay optimization of short-packet aloha[J]. IEEE Open Journal of the Communications Society, 2022, 3: 1501–1514. doi: 10.1109/OJCOMS.2022.3203803.
    [11] BELTRAMELLI L, MAHMOOD A, ÖSTERBERG P, et al. LoRa beyond ALOHA: An investigation of alternative random access protocols[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2021, 17(5): 3544–3554. doi: 10.1109/TII.2020.2977046.
    [12] HAMDI R, QARAQE M, and ALTHUNIBAT S. Dynamic spreading factor assignment in LoRa wireless networks[C]. 2020 IEEE International Conference on Communications, Dublin, Ireland, 2020: 1–5. doi: 10.1109/ICC40277.2020.9149243.
    [13] GHODHBANE R M. Maximization of wireless sensing network’s throughput communicating with long range (LoRa) modulation[C]. IEEE 7th International Conference on Advanced Technologies, Signal and Image Processing, Sousse, Tunisia, 2024: 594–599. doi: 10.1109/ATSIP62566.2024.10638955.
    [14] 程克非, 陈彩蝶, 罗佳, 等. LoRa网络中基于深度强化学习的信息年龄优化[J]. 电子与信息学报, 2025, 47(2): 541–550. doi: 10.11999/JEIT240404.

    CHENG Kefei, CHEN Caidie, LUO Jia, et al. Optimizing age of information in LoRa networks via deep reinforcement learning[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2025, 47(2): 541–550. doi: 10.11999/JEIT240404.
    [15] ZHAO Fangming, PAPPAS N, ZHANG Meng, et al. Age of information in random access networks with energy harvesting[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2025, 43(11): 3813–3829. doi: 10.1109/JSAC.2025.3584549.
    [16] LI Yitong and DAI Lin. Maximum sum rate of slotted aloha with capture[J]. IEEE Transactions on Communications, 2016, 64(2): 690–705. doi: 10.1109/TCOMM.2015.2508930.
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-08-28
  • 修回日期:  2025-12-29
  • 录用日期:  2025-12-29
  • 网络出版日期:  2026-01-04

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