基于短包通信选择中继辅助的全双工双向系统信息新鲜度分析

作     者：牛夏秧 贾向东 张亮 薛凯来 

作者机构：西北师范大学计算机科学与工程学院 南京邮电大学江苏省无线通信重点实验室 

出 版 物：《信号处理》 (Journal of Signal Processing)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

基　　金：国家自然科学基金(62261048) 

主　　题：信息年龄 全双工 中继协作 短包通信 非正交多址接入 双向通信 

摘      要：针对日益复杂的通信场景和日渐稀缺的频谱资源，以及信息新鲜度极其重要的现状。本文结合全双工(Full duplex，FD)、双向中继等技术，并基于短数据包传输(Short packet communication，SPC)，构建一个选择中继辅助的全双工双向(Full duplex two-way，FDTW)模型。采用信息年龄（Age of Information，AoI）作为度量信息新鲜度的性能指标，为了深入研究中继辅助链路在此类模型中对AoI所带来的性能增益，同时考虑直连链路、中继辅助链路与中继的工作状态，设计三种传输方案：无中继辅助(Non relay-assisted，NRA)方案、放大转发中继辅助(Amplify-and-forward relay-assisted ，AFRA)方案、解码转发中继辅助(Decode-and-forward relay-assisted，DFRA)方案。利用短包传输理论对每种方案下目的节点接收数据包的平均包错误率公式进行建模；利用图形分解法求解在每种方案下的平均信息年龄(Average Age of Information，AAoI)。其中在考虑中继辅助的方案中，AoI的演变较复杂，因此借助马尔可夫链进一步求解，这是对复杂传输情况下利用图形分解法求AoI方法的进一步补充。在仿真部分依据直连链路和中继辅助链路的相对状态进行分类讨论，结果表明，在直连链路信道状态相对较差时，中继辅助对AAoI的降低明显，最佳AAoI在AFRA方案下C为220bits左右获得，可降低8.33%，在所考虑情况下由于数据包长度对误包率的影响，在数据包长度较小时，DFRA方案获得更优的AAoI，在数据包长度超过160-180bits时，AFRA方案则获得更优的AAoI，同时随着直连链路状态不断变好，整体AAoI也会降低。