面向空间物联网的高时效随机接入策略研究

来源 :吴雨晨 | 被引量 : 0次 | 上传用户:quake
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如今,许多物联网应用都越来越依赖于时间敏感信息的交换以实现对现场的监测和控制,比如入侵检测、应急事件检测、远程医疗、自动驾驶等。此时,通信的时效性至关重要,因为过时的信息会失去其价值,甚至可能导致系统故障和安全风险。信息年龄(Age of Information,Ao I)是一个最近被提出的性能指标,它能够从目的地的角度捕捉信息的新鲜程度。本文重点关注空间物联网场景下的高时效接入策略研究。空间物联网是地面物联网在天地一体化通信网下的立体空间拓展,是一种覆盖更全面的泛在网络架构。其与传统的地面无线网络相比,最主要的区别在于电磁波传播特性:具有视距的信号、通信距离更长即具有不可忽略的传播时延。目前,大多关于信息年龄时效的研究是集中在地面网络中而忽略传播时延的影响,这是一种理想化的假设,在空间物联网场景中已不再适用。本文聚焦于MAC层(Multiple Access Control,MAC)的单跳分布式接入,具体模型可以概括为多个源节点通过一个共享的逻辑信道传输它们的状态更新包到中央控制器。典型的随机接入方案之一CSMA(Carrier Sense Multiple Access,CSMA)各节点在传输数据包之前需要花时间侦听信道状态,因而一次成功传输所需传输的次数更少,但是侦听时间与传播距离正相关。另一种随机接入方案Aloha则是节点有包就直接发送,无需等待,但是会引起更多碰撞。本文在传播时延不可忽略的对称网络中,对上述两种分布式接入方案建立离散时间的数学模型来分析其时效性能,推导了两者信息年龄的闭合表达式。在相同网络参数下,比较了两种机制的时效性能差异,发现存在一个时效性能平衡点,一旦传播距离超过这个点,Aloha会是时效更优的传输策略。在不同网络参数下,分别求解了两种机制的最优接入概率。此外,本文建立了传播时延不可忽略时的通用系统模型描述,并且给出了这个网络参数设置下信息年龄的理想下界,分析了网络中各参数给信息年龄带来的影响。在此基础上,本文探讨了结合本地信息(如信息年龄和信道状态)的动态接入方案,与传统固定接入概率的方式相比,运用更多本地信息的动态接入带来了大幅性能提升。最后,本文给出了在非对称网络下复杂度低、可操作性强的分布式接入算法流程。这个分布式方案甚至能比集中式策略性能更好、更灵活地适应网络的非对称性。
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