This paper considers a real-time status update system in which an energy harvesting (EH)-powered transmitter node observes some physical process, and sends its sensed measurements in the form of status updates to a destination node. The status update and harvested energy packets are assumed to arrive at the transmitter according to independent Poisson processes, and the service time of each status update is assumed to be exponentially distributed. We quantify the freshness of status updates when they reach the destination using the concept of Age of Information (AoI). Unlike most of the existing analyses of AoI focusing on the evaluation of its average value when the transmitter is not subject to energy constraints, our analysis is focused on understanding the distributional properties of AoI through the characterization of its moment generating function (MGF). In particular, we use the stochastic hybrid systems (SHS) framework to derive closed-form expressions of the MGF of AoI under several queueing disciplines at the transmitter, including non-preemptive and preemptive in service/waiting strategies. Using these MGF results, we further obtain closed-form expressions for the first and second moments of AoI in each queueing discipline. We demonstrate the generality of this analysis by recovering several existing results for the corresponding system with no energy constraints as special cases of the new results. Our numerical results verify the analytical findings, and demonstrate the necessity of incorporating the higher moments of AoI in the implementation/optimization of real-time status update systems rather than just relying on its average value.


翻译:本文考虑实时状态更新系统,在该系统中,能源收获(EH)动力发报器节点观察一些物理过程,并以状态更新的形式将其感知测量结果发送给目的地节点。根据独立的 Poisson 进程,假设状态更新和收获的能源包能够到达发射机,假设每次状态更新的服务时间会指数化分布。我们用信息年龄概念量化了最新状态更新到达目的地时的新鲜性。不同于AoI现有大多数侧重于在发射机不受能源限制时评价其平均价值的分析,我们的分析侧重于通过对AoI的当前生成功能(MGF)的描述来理解其分配特性。特别是,我们使用随机混合系统框架,在发射机几个排队列的学科(包括非先发制人和先发制人服务/等待战略)下,对状态更新后的平均价值进行量化。我们利用这些MGF的结果,进一步为AoI的第一和第二时刻值评估,我们通过对实时分析结果的描述来了解AOI的第一次和第二次更新,而不是对A级分析结果的每个时段进行新的分析。

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