近期，我院最新一项关于Frame Slotted ALOHA状态更新策略下信息年龄的分析研究成果被计算机网络领域顶级期刊IEEE Journal on Selected Areas in Communications (IEEE JSAC)接收，ZJUI博士生岳之凌为文章的第一作者，唯一通讯作者为ZJUI研究员杨浩 (Howard H. Yang) ，其他作者还包括ZJUI研究员张萌和林雪平大学教授Nikolaos Pappas。IEEE JSAC期刊是中科院JCR期刊分区一区期刊，也是CCF计算机网络领域三个A类期刊之首，影响因子13.081，该期刊所涉及的技术主题涵盖了整个通信和网络领域。
在当今无线通信设备迅速增加，无线网络部署密度急剧增加的大背景下，该研究创新地借助FSA (Frame Slotted ALOHA）的逻辑，提出了一种新的状态更新协议，提高了无线网络的年龄性能。此外，该团队还将新提出的更新策略与功率控制策略相结合，进一步提升系统的时效性，让网络信息更“新鲜有效”。
▲ 岳之凌
随着无线通信技术和智能设备的发展与成熟，近年来涌现出如实时导航、自动驾驶汽车、自媒体直播、远程手术系统等各种服务，潜移默化在生活的方方面面。
而这种“智能生活”对信息的实时性要求非常高，比如可能几分钟前的导航信息对现在的我就是“无价值”的，这也意味着我们需要搭建更高效稳定的无线网络环境。为了更好地解决类似问题，首先要对时效性的表达进行数学建模。传统的数学建模方式常常用时延或者吞吐量作为度量，但是在实时应用中，它们并不足以表达信息的时效性。而吞吐量表达的单位时间内数据传输的量，比如大家若都很“积极”，一天去做十几次核酸，尽管吞吐量很大，核酸检验中心和通信网络中将有大量数据堆积排队，也许会造成几天后大家才能收到核酸结果，该结果依旧因为没有时效性失去价值。鉴于此，学术界提出一种新的度量“AoI”（信息年龄），用来刻画接收到的信息的“新鲜度”。该度量从接收者的角度，衡量从上一个成功接收的信息采样时刻到现在所流逝的时间，比如：我们以一天为时间单位，若大前天我们采集了核酸信息，前天收到了检验结果，此时已经是陈旧了一天的信息（AoI前天=1），昨天没有做核酸（AoI昨天=2），今天做了核酸但没有出结果，手机上仍旧是前天采集的结果（AoI今天=3），若明天可以显示今天核酸结果，则AoI明天将降为1。我们希望网络中的信息尽可能“新鲜”，即AoI越小越好，根据此目标，我们可以通过对AoI的优化来优化无线网络。
▲ 信息年龄演变示意图
直观感受上，信息采集得越频繁，系统中信息的时效性越高。但是从上述分析可知，由于网络中的实体较多，彼此信息传输会相互影响（相互干扰），因而信息更新得过于“积极”或过于“懒惰”都不利于网络信息及时性的提高，并且采集得过于频繁的信息既占用了通信资源，又没有很大意义。如何规划设备们进行状态更新成为一个问题。鉴于此，该团队开创性地引入FSA策略，将几个时隙封装在一起形成一个帧（frame），帧中时隙的个数称作帧的大小，记作F。在每个帧的开始，每个信息源以一定概率决定是否要更新信息，如果答案是肯定的，则它将在帧中的任意一个时隙更新并发送。
▲ FSA状态更新策略示意图
该研究团队先推导了通用网络模型下的结果，并仿真验证了分析的准确性，他们分别以泊松双极网络和泊松蜂窝网络为例，展示了FSA对于AoI（信息年龄）的性能优化。结果表明，在网络部署密集时，FSA策略不仅能非常有效地降低网络中平均AoI，提高网络中信息的平均时效性，还能大大降低AoI的方差，提高网络的稳定性。在双极网络中，他们还证明了在相同的更新频率下，将时隙ALOHA协议转换为合适的基于帧结构的时隙ALOHA协议总是能降低网络的AoI均值。而在蜂窝网络中，他们发现FSA与功率控制结合使用可以进一步提高AoI性能。
信息的"新鲜度"是数据时代的基石。未来，应用该项研究的分析成果，有望进一步优化无线网络，提高生产生活的效率，赋能数字未来。
