Age-of-information dependent random access in multiple-relay slotted aloha

Abstract

Com a chegada e rápida consolidação da Internet das Coisas (internet of things, IoT), múltiplas aplicações surgem com diferentes requisitos de desempenho, como a pontualidade da informação, que pode ser quantificada pela métrica da idade da informação (age-of-information, AoI). Em termos gerais, quanto menor a AoI de um dispositivo, mais fresca é a informação coletada, e melhor é seu desempenho. Ainda, permitir a coexistência de números massivos de dispositivos IoT de baixa complexidade é frequentemente desejável, e métodos de acesso aleatório modernos vêm sendo explo-rados como uma maneira de alcançá-la. Neste trabalho, o desempenho de uma rede com acesso aleatório em dois saltos com múltiplos relays é investigado, com foco na métrica AoI. A média de idade dos usuários na rede (AoI média da rede) é avaliada quando ela segue duas abordagens diferentes: Age dependent random access (acesso aleatório dependente da idade, ADRA) em múltiplos relays no uplink (ADRA-MRU), em que usuários comparam sua idade com a de um limiar pré-definido antes de realizar uma transmissão, e ADRA em múltiplos relays no downlink (ADRA-MRD), em que esta tarefa pertence aos relays. Como resultado, é mostrado através de métodos analíticos e numéricos que ADRA-MRU reduz consideravelmente a AoI média de uma rede seguindo o esquema de acesso aleatório com múltiplos relays (AIRA-MR) em mais de 60%, enquanto que o desempenho do ADRA-MRD é apenas ligeiramente melhor do que o do AIRA-MR. Além disso, são apresentadas ideias sobre o número ótimo de relays, bem como outros parâmetros que influenciam a AoI.

Abstract: With the advent and rapidly consolidating of the Internet of Things (IoT), multiple applications arise with different performance requirements, such as the timeliness of information, which can be quantified by the age-of-information (AoI) metric. Generally,the lower an user?s AoI is, the freshest is the information collected at the destination, and the better is the user?s performance. Furthermore, allowing the coexistence of massive numbers of low-complexity IoT devices is often desirable, and modern random access methods have been explored as a way of achieving it. In this work, we investigate the performance of a random access two-hop network with multiple relays, focusing on the AoI metric. We evaluate the average age of the network under two age-dependent approaches, namely Age Dependent Random Access (ADRA) in MultipleRelays in the Uplink (ADRA-MRU), in which users evaluate their age against a threshold before transmitting, and ADRA in Multiple Relays in the Downlink (ADRA-MRD), where this responsibility belongs to relays. As a result, we show through analytical and numerical results that ADRA-MRU can considerably reduce the average AoI of an age-independent random access scheme with multiple relays (AIRA-MR) by more than 60%, while the performance of ADRA-MRD is slightly better than that of AIRA-MR. Moreover, we also provide insights on the optimal number of relays as well as other parameters that influence the AoI.