高级搜索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

有限码长信源编码下联合提升无线物联系统信息时效性与保真度

段建新 张天赐 陈正川 张迪 朱旭 田中 王敏 章吕天阳

段建新, 张天赐, 陈正川, 张迪, 朱旭, 田中, 王敏, 章吕天阳. 有限码长信源编码下联合提升无线物联系统信息时效性与保真度[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT251057
引用本文: 段建新, 张天赐, 陈正川, 张迪, 朱旭, 田中, 王敏, 章吕天阳. 有限码长信源编码下联合提升无线物联系统信息时效性与保真度[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT251057
DUAN Jianxin, ZHANG Tianci, CHEN Zhengchuan, ZHANG Di, ZHU Xu, TIAN Zhong, WANG Min, ZHANG Lvtianyang. Jointly Improving Information Timeliness and Fidelity under Finite-Blocklength Source Coding in a Wireless IoT Systems[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT251057
Citation: DUAN Jianxin, ZHANG Tianci, CHEN Zhengchuan, ZHANG Di, ZHU Xu, TIAN Zhong, WANG Min, ZHANG Lvtianyang. Jointly Improving Information Timeliness and Fidelity under Finite-Blocklength Source Coding in a Wireless IoT Systems[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT251057

有限码长信源编码下联合提升无线物联系统信息时效性与保真度

doi: 10.11999/JEIT251057 cstr: 32379.14.JEIT251057
基金项目: 国家自然科学基金(62271092),重庆市自然科学基金(CSTB2023NSCQ-MSX0933, CSTB2025NSCQ-GPX1286), 认知无线电与信息处理教育部重点实验室基金项目资助(CRKL240203),河南自然科学基金(242300421169),中山大学启动经费(7616012256017, 7616012266015),广东省国际科技合作项目(2025A0505020024),广东省重点领域研发计划项目(2026B0909060001),广西无线宽带通信与信号处理重点实验室基金项目(桂科AD25069102)
详细信息
    作者简介:

    段建新:男,博士生,研究方向为信息时效、协作通信等

    张天赐:男,博士生,研究方向为信息年龄与信息时效、高可靠低延迟通信、无线物联等

    陈正川:男,博士,教授,研究方向为信息年龄与信息时效、语义通信、高可靠低延迟通信等

    张迪:男,博士,研究方向有限码长编码、无线通信等

    朱旭:女,博士,教授,研究方向为MIMO多天线系统、超可靠低时延通信等

    田中:男,博士,研究方向为信息年龄、智能超表面等

    王敏:女,博士,研究方向为反射阵列天线、信息时效等

    章吕天阳:男,博士,研究方向为WiFi、B5G/6G无线通信等

    通讯作者:

    陈正川 czc@cqu.edu.cn

  • 段建新和张天赐对本研究做出了同等贡献
  • 中图分类号: TN926

Jointly Improving Information Timeliness and Fidelity under Finite-Blocklength Source Coding in a Wireless IoT Systems

Funds: National Natural Science Foundation of China (62271092), Natural Science Foundation of Chongqing (CSTB2023NSCQ-MSX0933), Key Laboratory of Cognitive Radio and Information Processing , Ministry of Education (CRKL240203), Henan Natural Science Foundation for Excellent Young Scholar (242300421169), Start-Up Grant from the Sun Yat-sen University (7616012256017, 7616012266015), International Science and Technology Cooperation Programs of Guangdong Province (2025A0505020024), Key-Area Research and Development Program of Guangdong Province (2026B0909060001), Project of Guangxi Wireless Broadband Communication and Signal Processing Key Laboratory (AD25069102)
  • 摘要: 实时无线物联信息更新系统是时间敏感物联网应用的核心。维持终端侧信源过程感知信息的高时效与高保真对业务质量至关重要。该文基于监视终端侧信息年龄(AoI)与信源过程实时估计均方误差(MSE),研究了有限码长信源编码下的信息时效与保真度。首先,考虑高斯—马尔可夫信源过程,建立有限码长信源编码与无线信息更新系统模型,精准推导时间平均AoI与时间平均MSE的解析表达式。其次,分析了二者关于信源编码失真容限、超限概率以及信息传输速率的单调性与凸性。最后,设计了优化算法联合优化失真容限、超限概率与传输速率,通过最小化时间平均AoI与时间平均MSE的加权和同步提升系统时效性与保真度。仿真与数值结果验证了所提理论分析的准确性与优化算法的有效性。仿真结果表明,所提优化方案在传输功率为20 dB时,最高与最低失真容限方案相比,加权和性能提升约33.7%,且理论解析式与蒙特卡洛仿真的最大相对误差低于0.3%。
  • 图  1  系统模型

    图  2  $ \alpha =0 $时,时间平均均方误差关于传输功率的变化关系

    图  3  $ \alpha =1 $时,时间平均信息年龄关于传输功率的变化关系

    图  4  $ \alpha =0.5 $时,信息年龄与均方误差加权和关于传输功率的变化关系

    图  5  联合优化方案与渐近理论方案、分离优化方案的对比

    图  6  理论解析式与其蒙特卡洛仿真对比图

    图  7  双层交替优化算法的收敛曲线

    表  1  关键符号说明表

    符号 物理含义 符号 物理含义
    $ a $ 信源过程衰减系数($ a \lt 0 $) $ {q}_{x} $ 信源过程稳态方差
    $ n $ 信源编码码长 $ d $ 失真容限
    $ \varepsilon $ 超过失真容限的概率 $ R $ 有限码长信源编码速率
    $ r $ 信息传输速率 $ p $ 传输中断概率
    $ \overline{\Delta } $ 时间平均信息年龄 $ \overline{M} $ 时间平均均方误差
    $ T $ 包传输时间 $ J $ 时间平均信息年龄与均方误差的加权和
    下载: 导出CSV

    1  有限码长建模下失真容限、超限概率与传输速率联合优化算法

     输入:系统参数$ (a,{q}_{u},{q}_{w},n,P,\alpha ) $;可行域$ d\in (0,{d}_{\max }],\varepsilon \in [{\varepsilon }_{\min },{\varepsilon }_{\max }],r\in [{r}_{\min },{r}_{\max }] $;算法参数$ ({I}_{\max },{c}_{A},{c}_{O},{c}_{R},{\eta }_{O},{\eta }_{R}) $;初值
     $ ({\varepsilon }^{(0)},{r}^{(0)}) $,定义$ {\Pi }_{[{{x}_{\min }},{{x}_{\max }}]}(x)=\min \{\max \{x,{x}_{\min }\},{\mathrm{x}}_{\max }\} $
     输出:最优失真容限$ {d}^{*} $、最优超限概率$ {\varepsilon }^{*} $、最优传输速率$ {r}^{*} $、最小加权和$ {J}^{*} $
     1  确定    $ {d}^{*} $ $ {d}^{*}={d}_{\max } $
     2  初始化   设外层迭代索引$ i=1 $,计算初始目标函数值$ {J}^{(0)}=J({d}^{*},{\varepsilon }^{(0)},{r}^{(0)}) $
     3 外层交替迭代 当$ i \lt {I}_{\max } $,重复以下步骤
     4        内层1:固定$ \varepsilon $,优化$ r $
     5        $ \varepsilon ={\varepsilon }^{(i-1)} $$ r={r}^{(i-1)} $ $ {J}_{\text{old}}=J({d}^{*},\varepsilon ,r) $
     6        更新$ r\leftarrow {\Pi }_{[{{r}_{\min }},{{r}_{\max }}]}(r-{\eta }_{R}{\nabla }_{r}J({d}^{*},\varepsilon ,r)) $,$ {J}_{\text{new}}=J({d}^{*},\varepsilon ,r) $
     7        重复上述更新直至$ |{J}_{\text{new}}-{J}_{\text{old}}| \lt {c}_{R} $,并记$ {r}^{(i)}=r $
     8       内层2:固定$ r $,更新$ \varepsilon $
     9        $ r={r}^{(i)} $$ \varepsilon ={\varepsilon }^{(i-1)} $ $ {J}_{\text{old}}=J({d}^{*},\varepsilon ,r) $
     10        更新$ \varepsilon \leftarrow {\Pi }_{[{{\varepsilon }_{\min }},{{\varepsilon }_{\max }}]}(\varepsilon -{\eta }_{O}{\nabla }_{\varepsilon }J({d}^{*},\varepsilon ,r)) $,$ {J}_{\text{new}}=J({d}^{*},\varepsilon ,r) $
     11        重复上述更新直至$ |{J}_{\text{new}}-{J}_{\text{old}}| \lt {c}_{O} $,并记$ {\varepsilon }^{(i)}=\varepsilon $
     12       更新$ {J}^{(i)}=J({d}^{*},{\varepsilon }^{(i)},{r}^{(i)}) $
     13       若$ |{J}^{(i)}-{J}^{(i-1)}| \lt {c}_{A} $,则终止外层迭代;否则令$ i\leftarrow i+1 $
     14 输出    $ {\varepsilon }^{*}={\varepsilon }^{(i)},{r}^{*}={r}^{(i)},{J}^{*}={J}^{(i)} $
    下载: 导出CSV
  • [1] SAH D K, VAHABI M, and FOTOUHI H. A comprehensive review on 5G IIoT test-beds[J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics, 2025, 71(2): 4139–4163. doi: 10.1109/TCE.2025.3572058.
    [2] WANG Chengxiang, YOU Xiaohu, GAO Xiqi, et al. On the road to 6G: Visions, requirements, key technologies, and testbeds[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2023, 25(2): 905–974. doi: 10.1109/COMST.2023.3249835.
    [3] 郑灿健, 郑福春. 超可靠低时延短包通信: 重新探索差分调制[J]. 移动通信, 2024, 48(10): 58–63. doi: 10.3969/j.issn.1006-1010.20240820-0001.

    ZHENG Canjian and ZHENG Fuchun. Ultra-reliable and low-latency short packet communications: Differential modulation revisited[J]. Mobile Communications, 2024, 48(10): 58–63. doi: 10.3969/j.issn.1006-1010.20240820-0001.
    [4] KAUL S, YATES R, and GRUTESER M. Real-time status: How often should one update?[C]. 2012 Proceedings IEEE INFOCOM, Orlando, USA, 2012: 2731–2735. doi: 10.1109/INFCOM.2012.6195689.
    [5] 于宝泉, 杨炜伟, 王权, 等. 无人机辅助通感一体化系统中的信息年龄分析优化[J]. 电子与信息学报, 2024, 46(5): 1996–2003. doi: 10.11999/JEIT231175.

    YU Baoquan, YANG Weiwei, WANG Quan, et al. Age of information analysis and optimization in unmanned aerial vehicles-assisted integrated sensing and communication systems[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2024, 46(5): 1996–2003. doi: 10.11999/JEIT231175.
    [6] BINIA J. Rate distortion function with a proportional mean-square error distortion measure[C]. 2008 IEEE International Symposium on Information Theory, Toronto, Canada, 2008: 862–866. doi: 10.1109/ISIT.2008.4595109.
    [7] CAO Jie, ZHU Xu, SUN Sumei, et al. Toward industrial metaverse: Age of information, latency and reliability of short-packet transmission in 6G[J]. IEEE Wireless Communications, 2023, 30(2): 40–47. doi: 10.1109/MWC.2001.2200396.
    [8] ROTH S, ARAFA A, POOR H V, et al. Remote short blocklength process monitoring: Trade-off between resolution and data freshness[C]. ICC 2020 - 2020 IEEE International Conference on Communications (ICC), Dublin, Ireland, 2020: 1–6. doi: 10.1109/ICC40277.2020.9149010.
    [9] ROTH S, ARAFA A, SEZGIN A, et al. Short blocklength process monitoring and scheduling: Resolution and data freshness[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2022, 21(7): 4669–4681. doi: 10.1109/TWC.2021.3132462.
    [10] ZHANG Tianci, CHEN Zhengchuan, TIAN Zhong, et al. Real-time monitoring Ornstein–Uhlenbeck process: Improving fidelity under freshness guarantees[J]. IEEE Communications Letters, 2023, 27(6): 1510–1514. doi: 10.1109/LCOMM.2023.3262545.
    [11] CHEN Zhengchuan, XU Mingjun, SHE Changyang, et al. Improving timeliness-fidelity tradeoff in wireless sensor networks: Waiting for all and waiting for partial sensor nodes[J]. IEEE Transactions on Communications, 2023, 71(7): 4151–4164. doi: 10.1109/TCOMM.2023.3277001.
    [12] ZHANG Di, SUN Mingxiao, SONG Lulu, et al. Information freshness and timeliness analysis in the finite blocklength regime for mission-critical applications[J]. IEEE Transactions on Communications, 2025, 73(12): 14458–14468. doi: 10.1109/TCOMM.2025.3615789.
    [13] ÅSTRÖM K J and MURRAY R M. Feedback systems: An introduction for scientists and engineers[R]. 2006. (查阅网上资料, 未找到本条文献报告编号信息, 请确认).
    [14] KOSTINA V and VERDU S. Fixed-length lossy compression in the finite blocklength regime[J]. IEEE Transactions on Information Theory, 2012, 58(6): 3309–3338. doi: 10.1109/TIT.2012.2186786.
    [15] TSE D and VISWANATH P. Fundamentals of Wireless Communication[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2005. (查阅网上资料, 未找到本条文献页码信息, 请确认).
    [16] SUN Yin, UYSAL-BIYIKOGLU E, YATES R D, et al. Update or wait: How to keep your data fresh[J]. IEEE Transactions on Information Theory, 2017, 63(11): 7492–7508. doi: 10.1109/TIT.2017.2735804.
  • 加载中
图(7) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  12
  • HTML全文浏览量:  4
  • PDF下载量:  0
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 修回日期:  2026-04-08
  • 录用日期:  2026-04-08
  • 网络出版日期:  2026-04-28

目录

    /

    返回文章
    返回