Age of information (AoI) is a powerful metric to evaluate the freshness of information, where minimization of average statistics, such as the average AoI and average peak AoI, currently prevails in guiding freshness optimization for related applications. Although minimizing the statistics does improve the received information's freshness for status update systems in the sense of average, the time-varying fading characteristics of wireless channels often cause uncertain yet frequent age violations. The recently-proposed statistical AoI metric can better characterize more features of AoI dynamics, which evaluates the achievable minimum peak AoI under the certain constraint on age violation probability. In this paper, we study the statistical AoI minimization problem for status update systems over multi-state fading channels, which can effectively upper-bound the AoI violation probability but introduce the prohibitively-high computing complexity. To resolve this issue, we tackle the problem with a two-fold approach. For a small AoI exponent, the problem is approximated via a fractional programming problem. For a large AoI exponent, the problem is converted to a convex problem. Solving the two problems respectively, we derive the near-optimal sampling interval for diverse status update systems. Insightful observations are obtained on how sampling interval shall be tuned as a decreasing function of channel state information (CSI). Surprisingly, for the extremely stringent AoI requirement, the sampling interval converges to a constant regardless of CSI's variation. Numerical results verify effectiveness as well as superiority of our proposed scheme.


翻译:信息年龄(AoI)是评估信息新鲜度的重要指标,目前在指导相关应用的新鲜度优化中,如平均AoI和最高峰AoI等关键的平均统计量的最小化占主导地位。虽然通过最小化这些统计量确实在平均意义下提高了接收信息的新鲜度,但无线信道的时变衰落特性通常会引起不确定且频繁的年龄违规。最近提出的统计AoI指标可以更好地表征AoI动态的更多特征,其在某个年龄违规概率约束下评估可实现的最小峰值AoI。本文研究了状态更新系统在多状态衰落信道上的统计AoI最小化问题,这可以有效地上限AoI违规概率,但会引入极高的计算复杂度。为了解决这个问题,我们采用了两种方法。对于小的AoI指数,我们通过分式规划近似问题。对于大的AoI指数,我们将问题转化为一个凸问题。分别解决这两个问题,我们得出了适用于不同状态更新系统的近似最优采样间隔。在调整采样间隔时,我们得到了有启示性的观察结果,即采样间隔应该作为CSI的下降函数进行调整。令人惊讶的是,对于极为严格的AoI要求,采样间隔会收敛于一个常数,而不受CSI变化的影响。数值结果验证了我们提出方案的有效性和优越性。

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