Information freshness in wireless networks

Abstract

<div lang="en" class="abs"><p class="abs_header">Abstract</p><p>With the advent of new services in 5G and beyond such as real-time Internet of things (IoT) applications, autonomous vehicles, and cyber-physical applications, the delivery of fresh status updates is gaining increasing interest. In these networks, various sensors transmit status updates about different monitored processes to a destination. Recently, the age of information (AoI) was proposed as a destination-centric metric to measure the information freshness. The objective of this thesis is to analyze the AoI and develop methods to improve the information freshness to enable emerging time-critical applications in future networks.</p><p>In the second chapter, the average AoI for multi-source queueing models under a first-come first-served (FCFS) serving policy is studied. For a multi-source M/M/1 queueing model, an exact expression for the average AoI is derived. Then, for an M/G/1 queueing model having a general service time distribution, three approximate average AoI expressions are calculated.</p><p>In the third chapter, a multi-source queueing model is considered and three source-aware packet management policies are introduced. The average AoI and the moment generating function (MGF) of the AoI are derived by using the stochastic hybrid systems (SHS) technique. The results show that the AoI can be significantly decreased through an appropriate packet management policy.</p><p>Fourth chapter considers a wireless sensor network (WSN), where the sensors can control the sampling process and they communicate timely information about random processes. The problem of jointly optimizing the sensors’ sampling action, transmit power allocation, and sub-channel assignment to minimize the average total transmit power subject to a maximum average AoI constraint for each sensor is studied. By using the Lyapunov optimization method, a dynamic control algorithm is provided to solve the problem.</p><p>In the fifth chapter, a WSN application for the average and peak AoI expressions, derived in the second chapter, is presented. Sensors communicate status updates by contending for channel access based on a carrier sense multiple access with collision avoidance (CSMA/CA) method. Upper bounds for the average and peak AoI for each sensor are derived in a worst case scenario where all the other sensors continually send packets.</p></div>

<div lang="fi" class="abs"><p class="abs_header">Tiivistelmä</p><p>Uudet 5G-järjestelmien palvelut, kuten reaaliaikaiset esineiden internet -sovellukset, itsenäiset ajoneuvot sekä kyberfyysiset sovellukset, kasvattavat ajantasaisten tilapäivitysten toimittamisen kiinnostusta. Näissä verkoissa anturit lähettävät kohteelle tilapäivityksiä eri valvotuista prosesseista. Tiedon ikä (age of information, AoI) ehdotettiin hiljattain kohdekeskeiseksi tiedon ajantasaisuuden mittariksi. Väitöskirjan tarkoituksena on analysoida AoI:ta ja kehittää menetelmiä tiedon ajantasaisuuden parantamiseksi uusien aikakriittisten sovellusten mahdollistamiseksi tulevissa verkoissa.</p><p>Toisessa luvussa tutkitaan keskimääräistä AoI:ta monilähdejonomalleissa, joissa paketit palvellaan niiden saapumisjärjestyksessä. Työssä johdetaan keskimääräisen AoI:n tarkka lauseke monilähteiselle M/M/1-jonomallille. Lisäksi johdetaan yleisen palveluaikajakauman tapaukselle, eli M/G/1-jonomallille, kolme likimääräistä keskimääräisen AoI:n lauseketta.</p><p>Kolmannessa luvussa tarkastellaan monilähteistä jonotusmallia ja esitellään kolme pakettien lähteen huomioivaa palvelukurimenetelmää. Luvussa johdetaan keskimääräisen AoI:n ja momenttifunktion lausekkeet käyttäen SHS-menetelmää. Tulokset osoittavat, että asianmukainen palvelukuri pienentää AoI:ta merkittävästi.</p><p>Neljäs luku tutkii langatonta anturiverkkoa, jossa anturit voivat ohjata näytteenottoprosessiaan, välittäen kohteelle ajantasaista tietoa satunnaisprosesseista. Verkossa optimoidaan kunkin anturin näytteenotto, lähetysteho ja alikanavan valinta keskimääräisen kokonaislähetystehon minimoimiseksi, kun jokaiselle anturille on asetettu keskimääräisen AoI:n rajoite. Ratkaisuksi kehitetään dynaaminen ohjausalgoritmi Lyapunov-optimointia käyttäen.</p><p>Viidennessä luvussa esitetään kilpavarausmenetelmään pohjautuva anturiverkkosovellus toisessa luvussa johdetuille AoI:n lausekkeille. Järjestelmässä johdetaan anturille keskimääräisen sekä huippuarvoisen AoI:n ylärajat tilanteessa, jossa toiset kilpailevat anturit lähettävät alituisesti paketteja.</p></div>