优化用于美国国税局（IRS）辅助的基于NOMA技术的短包通信系统的信息时效性

《IEEE Transactions on Cognitive Communications and Networking》：Optimizing Age of Information for IRS-Assisted NOMA-Based Short Packet Communication Systems

本文研究基于NOMA和IRS的工业物联网下行通信系统，提出联合优化功率分配、IRS相位和时块长度以最小化最大平均信息年龄（AoI）。针对SIC错误导致的复杂度问题，推导高SNR近似表达式，仿真表明该方案降低AoI、节省功率并支持更多用户，且IRS反射元素数量存在阈值效应，超过后AoI性能下降，与传统系统不同。

　　

摘要：

为满足工业物联网（IIoT）中对大规模连接性和高信息更新频率的严格要求，本文引入了非正交多址接入（NOMA）和智能反射面（IRS）作为有前景的解决方案。在本文中，我们研究了一种基于NOMA的下行链路IRS辅助短包通信系统，通过分析信息的年龄（AoI）来表征设备上的信息更新频率。我们的目标是通过联合优化功率分配因子、IRS相位偏移和时间块长度，最小化设备之间的平均AoI最大值。然而，连续干扰消除（SIC）误差使得包错误率（PER）的表达变得极其复杂，从而导致所构建的问题难以求解。为了克服这一挑战，我们推导出了在高信噪比（SNR）下的PER近似表达式，从而获得了一个次优解。仿真结果表明，所提出的优化方案能够降低AoI，减少功耗，并支持更多的用户。此外，我们发现增加IRS反射元件的数量会对AoI性能产生权衡效应：虽然更多的反射元件可以增强波束成形增益，从而提高AoI性能，但也会引入更高的信道估计开销和更长的导频传输时间，这会削弱AoI性能。因此，当反射元件的数量超过某个值时，AoI性能不再提升反而会下降，这与传统设置中的观察结果不同，在传统设置中，随着IRS反射元件数量的增加，可实现的数据速率或能效会单调增加。

引言

作为下一代工业物联网（IIoT）的核心推动者，工业4.0目前正受到广泛关注，并有望支持许多时间敏感的应用[1]、[2]、[3]。这些时间敏感的应用通常需要实时运行，并对信息更新频率有很高的要求[4]、[5]。例如，对高风险行为的精确监控、事故的紧急处理以及温度的实时控制，都依赖于获取最新的指令信息以确保操作的正确性[6]、[7]、[8]。然而，传统的性能指标（如吞吐量、传输延迟和中断概率）无法很好地描述信息更新频率[9]。为了衡量信息更新频率，提出了一个名为“信息年龄”（AoI）的新指标，它被定义为从生成最新成功接收到的数据包到到达目的地所经过的时间[10]、[11]、[12]。与传统指标不同，AoI同时考虑了数据包的生成和传输过程[13]。