We investigate the age of information (AoI) of a relay-assisted cooperative communication system, where a source node sends status update packets to the destination node as timely as possible with the aid of a relay node. For time-slotted systems without relaying, prior works have shown that the source should generate and send a new packet to the destination every time slot to minimize the average AoI, regardless of whether the destination has successfully decoded the packet in the previous slot. However, when a dedicated relay is involved, whether the relay can improve the AoI performance requires an in-depth study. In particular, the packet generation and transmission strategy of the source should be carefully designed to cooperate with the relay. Depending on whether the source and the relay are allowed to transmit simultaneously, two relay-assisted schemes are investigated: time division multiple access (TDMA) and non-orthogonal multiple access (NOMA) schemes. A key challenge in deriving their theoretical average AoI is that the destination has different probabilities of successfully receiving an update packet in different time slots. We model each scheme using a Markov chain to derive the corresponding closed-form average AoI. Interestingly, our theoretical analysis indicates that the relay-assisted schemes can only outperform the non-relay scheme in average AoI when the signal-to-noise ratio of the source-destination link is below -2dB. Furthermore, comparing the merits of relay-assisted schemes, simulation results show that the TDMA scheme has a lower energy consumption, while the NOMA counterpart typically achieves a lower average AoI.


翻译:我们研究了中继辅助协作通信系统的信息时代(AoI),源节点在辅助中继节点的帮助下,向目标节点尽可能及时地发送状态更新数据包。对于没有中继的分时系统,以前的研究已经表明,源节点应该在每个时间片中生成并发送一个新的数据包到目标节点,以最小化平均AoI,而不管目标节点是否在前一时隙中成功解码了数据包。但是,当涉及到专用中继时,中继是否能提高AoI性能需要深入研究。特别是,源的数据包生成和传输策略应该仔细设计,以与中继协作。根据源和中继是否允许同时传输,我们研究了两种中继辅助方案:时分多址(TDMA)和非正交多址(NOMA)方案。导出其理论平均AoI的一个关键问题是,目标在不同的时间槽中成功接收更新数据包的概率不同。我们使用马尔可夫链模型来描述每个方案,以导出相应的封闭形式平均AoI。有趣的是,理论分析表明,当源-目标链路的信噪比低于-2dB时,中继辅助方案只能优于非中继方案的平均AoI。此外,比较中继辅助方案的优点,仿真结果表明,TDMA方案具有更低的能耗,而NOMA方案通常实现较低的平均AoI。

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