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Título: Age of information: pontualidade da informação em aplicações de monitoramento remoto
Título(s) alternativo(s): Age of information: information freshness in remote monitoring applications
Autor(es): Grybosi, Jorge Felipe
Orientador(es): Rebelatto, João Luiz
Palavras-chave: Internet das coisas
Sensoriamento remoto
Desempenho - Análise
Sistemas de telecomunicação
Sistemas de comunicação sem fio
Internet of things
Remote sensing
Performance - Analysis
Telecommunication systems
Wireless communication systems
Data do documento: 19-Dez-2022
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: GRYBOSI, Jorge Felipe. Age of information: pontualidade da informação em aplicações de monitoramento remoto. 2022. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2022.
Resumo: Este trabalho propõe a utilização da métrica AoI (do inglês Age of Information) como critério para avaliar o quão recente é a informação obtida no destino com relação ao processo monitorado em uma fonte. Essa ferramenta tornou-se relevante no contexto de Internet das Coisas (IoT, do inglês Internet of Things), pois, em contraste com métricas tradicionais como throughput e delay, permite quantificar a importância de uma mensagem com relação à novidade e pontualidade de seu conteúdo. Atualizar o destino de forma pontual implica em utilizar os recursos disponíveis na rede da melhor forma possível para garantir um desempenho aceitável. Ao longo do trabalho, são abordados dois contextos de aplicação da métrica em conjunto com análises numéricas e analíticas, verificando os parâmetros que podem ser otimizados para em média obter-se uma melhor AoI. O primeiro cenário compreende avaliar o compromisso entre energia consumida e a AoI média, considerando uma fonte atualizando um destino utilizando retransmissões. De forma complementar, a proposta de utilizar diversidade na recepção em conjunto com a replicação de mensagens apresentou um compromisso melhor entre a energia utilizada nas transmissões e a AoI média obtida no destino. Na sequência é apresentado um cenário mais complexo, onde a AoI média é analisada quando múltiplos dispositivos buscam atualizar um destino em um canal sem fio comum a todos. Portanto, a decodificação de uma mensagem depende, além das características em larga e pequena escala do canal, também da transmissão simultânea de outros dispositivos, o que causa uma colisão e as mensagens transmitidas são perdidas. Buscando recuperar alguns dados mesmo no caso de uma colisão, propõe-se a utilização da técnica de cancelamento sucessivo de interferência (SIC, do inglês Successive Interference Cancellation) no destino. Com esse propósito, resultados numéricos e analíticos são apresentados para avaliar as vantagens de tal implementação. Adicionalmente, são apresentadas expressões para a probabilidade de acesso ao canal que minimiza a AoI média da rede. É possível concluir que todas as propostas apresentadas no decorrer do trabalho incorrem em melhorias considerando a AoI média como métrica de desempenho. Ademais, as extensões propostas implicam em processamento adicional apenas no destino, que geralmente não possui limitações de processamento, portanto não incorre em aumento de consumo na fonte, que geralmente possui restrições de consumo/processamento.
Abstract: This work proposes using the Age of Information (AoI) as a metric to evaluate how fresh is the decoded information at the destination when compared to the monitored process at the information source. This metric became relevant in the Internet of Things (IoT) context, as, in contrast to traditional metrics such as throughput and delay, it quantifies the importance of an update regarding the freshness and timeliness of its content. Timely updating a destination incurs in using the available resources in the network in the best manner to guarantee a reasonable performance. Throughout the work, two application scenarios are presented with numerical and analytical analysis, emphasizing optimization parameters in a remote monitoring network to obtain a better average AoI. The first scenario intends to evaluate the trade-off between average AoI and energy consumption, considering a source that updates a destination adopting retransmissions. In a complementary manner, the proposition of using receive diversity in addition to the diversity gain obtained by the retransmissions presented a better trade-off between the energy used in the transmissions and the average AoI at the destination. The next topic is a more complex scenario, where the average AoI is evaluated when multiple devices update a destination to a common wireless channel. Therefore, the message decoding depends not only on the large and small channel fading aspects but on the simultaneous transmission of other devices, which causes a collision, and all the transmitted messages are lost. Seeking to recover some information even when a collision happens, the Successive Interference Cancellation (SIC) technique is proposed. With this in mind, numerical and analytical results are presented to evaluate the advantages of such an extension. Additionally, closed expressions for the channel access probability that minimizes the network average AoI are presented. It is possible to infer that all the presented extensions throughout the work incur advantages considering the average AoI as a performance metric. Furthermore, the increased processing incurred by the extensions is only on the destination side, which generally has no processing constraints, thus not increasing power consumption on the message source, which often has power/processing restrictions.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/30802
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