30、LoRa网络中联合PAoI与网关队列积压优化策略

LoRa网络中联合PAoI与网关队列积压优化策略

在LoRa网络中，终端设备（EDs）通常部署在能量受限的环境中，需要从环境获取能量进行自充电。当EDs向网关传输数据时，其信息年龄（AoI）会降低，但如果网关接收过多数据，队列积压会增加。因此，设计合适的调度算法来平衡EDs的信息年龄和网关的队列积压至关重要。

1. 系统模型

系统模型主要包含网络和能量模型、峰值信息年龄公式以及网关队列积压模型的推导。
- LoRa网络模型与电池状态
- 在单服务器监控网络中，将EDs记为集合$N = {1, 2, …, N}$。当EDs上没有数据包时，会监测附近环境条件并基于随机过程生成数据包；若已有数据包，则不再按随机过程获取。数据包会被打上时间戳以记录当前信息年龄（AoI）的变化。
- 假设传输一个数据包的单位能耗为$E_{trans}$，充电过程遵循概率为$\lambda$的伯努利过程，$\lambda \in (0, 1)$。终端设备的电池状态$E(t)$可表示为：
$E_i(t + 1) = \min{E_i(t) - \mu_i(t) \cdot (E_c + E_{trans}) + \lambda(t) \cdot E, E_{max}}$
其中，$E_{max}$是电池队列的最大容量，$E_c$是电路消耗的固定能量，$E$是充电的单位能量。$\mu_i(t)$表示终端设备$i$在时隙$t$是否成功传输数据包，成功则$\mu_i(t) = 1$，否则为$0$。
- 网关维护一个AoI缓存队列，不丢弃EDs传输的任何数据包，且可连接电网，无需考虑能量问题。EDs由考虑当前网络状态的调度控制器引导，该控制器