In applications of remote sensing, estimation, and control, timely communication is not always ensured by high-rate communication. This work proposes distributed age-efficient transmission policies for random access channels with $M$ transmitters. In the first part of this work, we analyze the age performance of stationary randomized policies by relating the problem of finding age to the absorption time of a related Markov chain. In the second part of this work, we propose the notion of \emph{age-gain} of a packet to quantify how much the packet will reduce the instantaneous age of information at the receiver side upon successful delivery. We then utilize this notion to propose a transmission policy in which transmitters act in a distributed manner based on the age-gain of their available packets. In particular, each transmitter sends its latest packet only if its corresponding age-gain is beyond a certain threshold which could be computed adaptively using the collision feedback or found as a fixed value analytically in advance. Both methods improve age of information significantly compared to the state of the art. In the limit of large $M$, we prove that when the arrival rate is small (below $\frac{1}{eM}$), slotted ALOHA-type algorithms are asymptotically optimal. As the arrival rate increases beyond $\frac{1}{eM}$, while age increases under slotted ALOHA, it decreases significantly under the proposed age-based policies. For arrival rates $\theta$, $\theta=\frac{1}{o(M)}$, the proposed algorithms provide a multiplicative factor of at least two compared to the minimum age under slotted ALOHA (minimum over all arrival rates). We conclude that, as opposed to the common practice, it is beneficial to increase the sampling rate (and hence the arrival rate) and transmit packets selectively based on their age-gain.


翻译:在遥感、估算和控制的应用中, 及时的通信并非总能通过高速度通信得到保证。 这项工作建议对随机访问频道使用$M 美元发报机, 以分布年龄效率传送政策。 在这项工作的第一部分, 我们通过将查找年龄问题与相关Markov链的吸收时间联系起来, 分析固定随机化政策的年龄性能。 在这项工作的第二部分, 我们提出一个软件包的概念, 以量化该软件包在成功交付时将大大降低接收方信息的瞬时龄值。 我们然后利用这个概念来提议一个传输政策, 使发送器以基于其可用数据包的年龄增益的分布方式运作。 特别是, 每个发送器只有在其相应的年龄增益超过一定的阈值时, 才能通过碰撞反馈或分析性价值提前计算。 两种方法都大大改进了信息使用率的最小值。 在大M 的限度中, 我们用这个概念来证明, 当抵达速度小时( 低 美元 美元 和 美元 美元 美元 ), 将 最低速度 将 低于 最低, A- 最低 水平 水平 水平, 将 以 最低 最低 水平 水平 水平 低于 水平 。

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