多中继网络中基于最大年龄调度的信息年龄优化研究

《IEEE Transactions on Communications》：Age of Information in Multi-Relay Networks With Maximum Age Scheduling

本文针对物联网多中继网络中信息新鲜度保障问题，提出了四种年龄感知调度算法（MAM、IMAS、ABDR和B-ABDR）。研究通过理论分析建立了AoI下界模型，验证了B-ABDR算法在接近理论最优性能的同时显著降低信令开销。该工作为资源受限的IoT设备在远程监测等实时场景中的信息时效性优化提供了创新解决方案。

　　

在物联网（IoT）蓬勃发展的今天，数以亿计的低复杂度设备被部署在偏远地区进行环境监测、工业自动化和智能农业等应用。这些设备通常能量有限、计算能力弱，且与基站之间往往没有直接链路，需要通过中继节点进行通信。然而，传统的通信协议主要关注吞吐量和延迟，却忽视了一个关键指标——信息年龄（Age of Information, AoI），即从信息产生到被目的地成功接收的时间间隔。在需要实时决策的应用中，信息的"新鲜度"至关重要，过时的信息可能导致严重的后果。

现有的研究中，虽然已经有工作探讨了单跳网络中的AoI优化，但在更符合实际部署场景的多中继两跳网络中的研究相对较少。这类网络通常由终端设备（End Devices, EDs）、中继节点（Relays）和接入点（Access Point, AP）组成。终端设备以ALOHA方式随机向中继发送数据，中继再将数据转发至AP。这种架构虽然扩展了覆盖范围，但也带来了新的挑战：如何在中继层面进行智能调度，优先传输"年龄"更大的数据包，从而最小化整个网络的AoI。

为了解决这一问题，发表在《IEEE Transactions on Communications》上的这项研究提出并评估了多种年龄感知的多址接入机制。研究人员首先建立了一个理论下界，作为评估算法性能的基准。然后，他们将单跳网络中的最大年龄匹配（Max-Age Matching, MAM）和迭代最大年龄调度（Iterative Max-Age Scheduling, IMAS）算法适配到多中继场景中。这些算法虽然能取得较好的AoI性能，但需要AP与中继之间进行大量的信令交互，在实际部署中成本较高。

为此，研究团队创新性地提出了两种分布式的调度方案：基于年龄的延迟请求（Age-Based Delayed Request, ABDR）及其缓冲版本（Buffered ABDR, B-ABDR）。这些方案将调度决策权部分下放给中继节点，利用基于AoI的定时器竞争机制来决定哪个中继在何时使用哪个信道进行转发，大大降低了集中式调度带来的信令开销。

关键技术方法

研究采用系统建模、理论分析与仿真验证相结合的方法。首先建立了包含N个ED、K个中继和F个信道的两跳网络模型，时间被划分为时隙，ED按概率p生成数据包并通过ALOHA协议在F个信道上传输。信道采用"开-关"衰落模型，包丢失率为ε₁（第一跳）和ε₂（第二跳）。核心算法包括：1）扩展的MAM和IMAS算法，通过AP集中调度避免冗余传输；2）新提出的ABDR算法，利用AoI比例定时器实现分布式信道竞争；3）B-ABDR算法，引入大小为B的缓冲区存储未及时转发的数据包，进一步提升性能。通过离散时间马尔可夫链（DTMC）分析AoI演化，推导出平均AoI（AAoI）和峰值AoI（PAoI）的理论下界。

研究结果

性能提升与信息交换的权衡

研究表明，即使在第二跳只使用F=1个信道，通过中继与AP之间的信息交换进行协调调度（如IMAS算法），其AoI性能也比传统的纯ALOHA有显著提升。当信道数增加到F≥2时，IMAS算法的性能几乎与理论下界无法区分。这证明了在第二阶段进行智能调度的巨大价值，尽管它带来了一定的信令开销，但性能提升是值得的。

中继数量对算法性能的影响

随着中继节点数量K从2增加到5，所有算法的AAoI和PAoI都有所改善。扩展的IMAS和MAM算法与理论下界的差距小于1个时隙，明显优于单跳场景。新提出的ABDR算法性能与IMAS和MAM相当，但信令开销和计算复杂度显著降低。而B-ABDR算法（即使缓冲区大小B=1）的表现优于除B-IMAS外的所有算法，非常接近理论下界，且信令开销与ABDR相同。

最优激活概率的确定

由于第一跳采用ALOHA协议，存在一个最优的激活概率p使AoI性能最佳。研究发现所有算法都有相似的趋势，在p=0.0917时达到最小AAoI。这表明可以通过数值优化公式(6)来找到保证第二阶段算法最佳性能的激活概率。

终端设备瞬时AoI的平均值

通过分析AAoI超过特定值δ的时间比例，研究发现当第二跳丢包率ε₂=0.1时，IMAS和B-ABDR性能接近且接近最优。当信道条件恶化（ε₂=0.5）时，IMAS性能显著下降，而B-ABDR仍能保持良好性能。

第二阶段丢包率的影响

B-ABDR对第二跳丢包率的增加表现出更强的鲁棒性。即使在高丢包率下，其性能仍接近最优。缓冲的数据包提供了额外的自由度，允许中继利用信道条件较好的时机进行传输，确保AP能获得所有ED的新鲜信息，尽管可能延迟几个时隙。

所提方法的可扩展性

随着终端设备数量N从30增加到90，B-ABDR是最能接近理论下界的算法。这表明即使在网络规模扩大时，该算法仍能有效管理每个中继缓冲区中的数据包。

B-ABDR在第二阶段存在碰撞的情况

当时钟同步但时间被离散化为迷你时隙，且最早的中继选择相同的迷你时隙发送请求发送（RTS）时，可能发生碰撞。仿真显示，当时钟分辨率R足够高时，碰撞概率降低，性能接近理想情况。在实际部署中，需要根据可用的定时器精度来分配RTS阶段的时间。

异构网络中的性能

在异构网络场景中（各ED的ε₁不同），虽然整体趋势不变，但信道条件较差的ED性能受到影响。这表明第一阶段协议是AoI性能的一个限制因素，未来的研究可以扩展到第一阶段，例如对信道条件差的ED采用重传策略。

结论与讨论

本研究系统性地研究了两跳多中继网络中的信息年龄优化问题。理论分析为评估算法性能提供了基准，而提出的多种调度算法则在不同方面做出了贡献。扩展的MAM和IMAS算法性能接近下界，但信令开销和计算复杂度较高。新提出的ABDR和B-ABDR算法在性能与开销之间取得了更好的平衡。

特别是B-ABDR算法，在所有配置下（包括第二跳高丢包率）都最接近理论下界，同时仅需与ABDR相同的信令开销。其优势在于通过缓冲区机制提供了时间分集增益，允许中继在信道条件有利时传输数据包，从而显著提升系统对信道恶化的鲁棒性。

这项研究的意义在于为物联网多跳通信中的信息新鲜度保障提供了实用的解决方案。所提出的算法，特别是B-ABDR，非常适合实际部署，因为它们降低了对中央控制器的依赖，减少了信令交互，并将计算负担分散到资源相对丰富的中继节点上。未来研究方向包括考虑ED与中继之间不对称连接的真实场景，设计促进公平性的协议，以及将算法扩展到多跳场景等。

这项工作由芬兰研究委员会（前芬兰科学院）资助（资助号346208，6G旗舰计划），CNPq（403124/2023-9, 305021/2021-4）和RNP/MCTI巴西6G项目（01245.020548/2021-07）支持，体现了学术界与工业界在面向未来通信系统关键技术上的紧密合作。