TWI812355B - 無線網路系統與其資料傳輸方法 - Google Patents

Abstract

本發明提出一種無線網路系統，包括基地台與至少一個裝置。裝置通訊連接至基地台，這些裝置用以執行演算法。此演算法包括：在一時槽中，判斷先前N個時槽內是否已經產生資料，其中N為正整數，若是的話則根據資料已經經過多少個時槽來設定一資料產生時間，若否的話則產生新資料並重置資料產生時間；傳送上述資料或新資料至基地台；以及如果傳送成功，則設定資訊年齡等於資料產生時間，否則增加資訊年齡。

Description

無線網路系統與其資料傳輸方法

本揭露是有關於一種以ALOHA協定為基礎的無線網路系統與其資料傳輸方法。

ALOHA是一種多重存取協定(multiple access control)協定，用以讓裝置可以在無線網路中存取射頻通道。在時槽(slotted)ALOHA演算法中，時間被分為多個時槽，當裝置要傳送資料時會根據一特定機率在一個時槽中傳輸資料。如果傳輸成功了，裝置會在同一個時槽中接收到確認(acknowledgment)，如果沒有傳輸成功，裝置會在下一個時槽中再度嘗試傳輸。資訊年齡(age of information，AoI)是物聯網(Internet of Things，IoT)的一個重要效能指標，定義為從資料被產生到資料被接受之間所經過的時間。此外，佔空比(duty cycle)是關於功率消耗的重要指標，通常可以降低產生資料的頻率來降低佔空比，但這也會增加平均的資訊年齡。如何在低佔空比的限制下降低平均資訊年齡，為此領域技術人員所關心的議題。

本揭露的實施例提出一種無線網路系統，包括基地台與至少一個裝置。裝置通訊連接至基地台，這些裝置用以執行演算法。此演算法包括：在一時槽中，判斷先前N個時槽內是否已經產生資料，其中N為正整數，若是的話則根據資料已經經過多少個時槽來設定一資料產生時間，若否的話則產生新資料並重置資料產生時間；傳送上述資料或新資料至基地台；以及如果傳送成功，則設定資訊年齡(age of information，AoI)等於資料產生時間，否則增加資訊年齡。

在一些實施例中，在判斷先前N個時槽內是否已經產生資料的步驟之前，演算法還包括：判斷資訊年齡是否大於等於一第一臨界值；如果資訊年齡大於等於第一臨界值，根據一預設機率執行判斷先前N個時槽內是否已經產生資料的步驟，否則增加資訊年齡並處理下一個時槽；以及如果資訊年齡小於第一臨界值，增加資訊年齡並處理下一個時槽。

在一些實施例中，其中根據資料已經經過多少個時槽來設定資料產生時間的步驟是根據以下數學式1執行，其中 為資料產生時間， 為目前時槽， 為資料所產生的時槽。 [數學式1]

在一些實施例中，上述重置資料產生時間的步驟是將資料產生時間設定為1。

在一些實施例中，上述的裝置是透過多重存取協定(multiple access control)通訊連接至基地台。

以另一個角度來說，本揭露的實施例提出一種無線網路系統的資料傳輸方法。此無線網路系統包括基地台與至少一個裝置。資料傳輸方法包括：在一時槽中，判斷先前N個時槽內裝置是否已經產生資料，其中N為正整數，若是的話則根據資料已經經過多少個時槽來設定一資料產生時間，若否的話則產生新資料並重置資料產生時間；透過裝置傳送資料或新資料至基地台；以及如果傳送成功，則設定裝置所對應的資訊年齡等於資料產生時間，否則增加資訊年齡。

以另一個角度來說，資料傳輸方法還包括：判斷資訊年齡是否大於等於第一臨界值；如果資訊年齡大於等於第一臨界值，根據一預設機率執行判斷先前N個時槽內是否已經產生資料的步驟，否則增加資訊年齡並處理下一個時槽；以及如果資訊年齡小於第一臨界值，增加資訊年齡並處理下一個時槽。

在上述的系統與方法中，可以降低平均資訊年齡。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

關於本文中所使用之「第一」、「第二」等，並非特別指次序或順位的意思，其僅為了區別以相同技術用語描述的元件或操作。

圖1是根據一實施例繪示無線網路系統的示意圖。請參照圖1，無線網路系統100包括了基地台110以及多個裝置120。基地台110與裝置120之間通訊連接，這可透過多重存取協定或其他任意合適的協定來實現。基地台110與裝置120可以是具有計算能力的任意電子裝置，在一些實施例中裝置120可以是感測器、微控制器、或任意可以進行資料感測、紀錄、處理的裝置。例如，在資料感測的應用中，裝置120可實施訊號取樣以及類比數位轉換，而轉換後的資料傳送給基地台110。本揭露並不限制無線網路系統100的應用。

在此，每個裝置120會執行一演算法，用以決定如何將資料傳送給基地台。圖2是根據一實施例繪示演算法200的虛擬碼(pseudo code)，首先假設演算法200是由第i個裝置所執行，AoI代表資訊年齡(age of information)，為了簡化起見圖2中的“instantaneous AoI”都簡稱為資訊年齡。對於多個時槽中的第k個時槽(第1行)，判斷第i個裝置的資訊年齡(AoI)是否大於等於第一臨界值 (第2行)。如果第i個裝置的資訊年齡(AoI)大於等於第一臨界值 ，根據一預設機率判斷是否要繼續執行(第3-4行)，其中 為實數， 便是預設機率。如果要繼續執行，判斷先前N個時槽內是否已經產生資料(第5行)，其中N為正整數。具體來說，如果在第j個時槽中已經產生過資料，則判斷 是否成立，若此不等式成立表示先前N個時槽內已經產生過資料。如果先前N個時槽內已經產生過資料，接下來根據資料已經經過多少個時槽來設定一個資料產生時間G(第6行)，如以下數學式1所示。 [數學式1]

其中 為資料產生時間， 也稱為目前時槽， 為資料所產生的時槽。如果先前N個時槽內沒有產生過資料，則產生新資料(第8行)並重置資料產生時間(第9行)，也就是將資料產生時間G設定為1。接下來傳送資料(第11行)，如果沒有產生新資料則傳送第j個時槽所產生的舊資料，否則傳送目前產生的新資料。如果傳送成功(第12行)，則設定第i個裝置的資訊年齡AoI等於資料產生時間G(第13行)。如果在同一個時槽內有其他裝置傳送資料，則第i個裝置不會接收到確認，這會造成傳送資料失敗。如果沒有傳送成功(第14行)，則增加第i個裝置的資訊年齡AoI，例如加上1(第15行)。如果在第4行的判斷為否，也就是根據預設機率判斷沒有要嘗試傳送資料，則增加第i個裝置的資訊年齡AoI，例如加上1(第18行)。如果在第2行的判斷為否，也就是第i個裝置的資訊年齡(AoI)小於第一臨界值 ，則增加第i個裝置的資訊年齡AoI，例如加上1(第21行)。最後回到第1行處理下一個時槽。值得注意的是，正整數N會小於第一臨界值 ，因為裝置並不會使用上一輪( 個時槽之前)所產生的資料。

在此根據上述的演算法提供一個例子來詳細說明。圖3是根據一實施例繪示各個時槽的資訊年齡以及資料產生時間。請參照圖3，曲線310代表資訊年齡，而曲線320代表資料產生時間，橫軸代表時槽(從時槽0至時槽12)，縱軸代表資訊年齡以及資料產生時間的數值。請合併參照圖2與圖3，在此例子中設定第一臨界值 等於3，而正整數N設定為2。此外，為了簡化說明，在此假設演算法200第4行的判斷都為是。首先，在前兩個時槽(時槽0與時槽1)中，演算法第2行的判斷為否，因此跳至第21行增加資訊年齡。

在時槽2中，由於此時的資訊年齡大於等於3，因此進行演算法第5行的判斷，由於先前N個時槽內沒有產生資料，演算法第5行的判斷為否，接著進行第8~9行，產生資料 ，並將資料產生時間G設定為1。假設資料傳送成功，接著進行演算法第13行，將資訊年齡設定為資料產生時間，兩者都為1。

在時槽3與時槽4，資訊年齡都小於3，因此演算法第2行的判斷為否，累加資訊年齡(演算法第21行)以後處理下一個時槽。

在時槽5，演算法第2行的判斷為是，進行第5行。由於先前N個時槽內沒有產生資料，第5行的判斷為否，因此進行第8~9行，產生資料 ，並將資料產生時間G設定為1。假設資料沒有傳送成功，進行演算法第15行，將資訊年齡累加1。

在時槽6，演算法第5行的判斷為是，因此進行第6行的計算，此時k=6、j=5，因此G=6-5+1=2。假設資料傳送成功，在第13行中將資訊年齡設定為資料產生時間，兩者都為2。

在時槽7，由於資訊年齡小於3，因此演算法第2行的判斷為否，累加資訊年齡(演算法第21行)以後處理下一個時槽。

在時槽8，演算法第5行的判斷為否，進行第8~9行，產生資料 ，並將資料產生時間G設定為1。假設資料沒有傳送成功，進行演算法第15行，將資訊年齡累加1。

在時槽9，演算法第5行的判斷為是，因此進行第6行的計算，此時k=9、j=8，因此G=9-8+1=2。假設資料沒有傳送成功，進行演算法第15行，將資訊年齡累加1。

在時槽10，演算法第5行的判斷為是，因此進行第6行的計算，此時k=10、j=8，因此G=10-8+1=3。假設資料沒有傳送成功，進行演算法第15行，將資訊年齡累加1。

在時槽11，演算法第5行的判斷為否，進行第8~9行，產生資料 ，並將資料產生時間G設定為1。假設資料傳送成功，在第13行中將資訊年齡設定為資料產生時間，兩者都為1。

綜合來說，如果在先前N個時槽內有產生資料，則傳送舊資料(時槽6、9、10)，否則產生並傳送新資料(時槽2、5、8、11)。上述做法有幾個現象。第一，相較於傳統的臨界值ALOHA，上述做法減少產生新資料的頻率，當要求低佔空比的限制下，例如限制佔空比為0.02，上述做法有更大的範圍可以找到合適的第一臨界值 以及傳輸機率，藉此降低平均資訊年齡。第二，當增加正整數N時，會降低產生新資料的頻率，導致更低的佔空比，可以降低平均資訊年齡。第三，當產生資料的活動比率比較高時(例如90%相對於50%)，上述做法可以降低更多的佔空比，同樣可以降低平均資訊年齡。

圖4是根據一實施例繪示無線網路系統的資料傳輸方法的流程圖。請參照圖4，在步驟401，判斷先前N個時槽內是否已經產生資料。如果判斷結果為是，在步驟402中根據資料已經經過多少個時槽來設定資料產生時間，否則在步驟403中產生新資料並重置資料產生時間。在步驟404中，傳送資料至基地台。在步驟405，判斷是否傳送成功。如果傳送成功，在步驟406中設定資訊年齡等於資料產生時間，否則在步驟407中增加資訊年齡。圖4的流程是對應至圖2演算法的第5~15行，然而圖4的方法可以搭配以上實施例使用也可以搭配其他演算法使用，換言之，圖4的流程之前、之後、以及各步驟之間也可以加入其他的步驟。圖4各步驟可以用電路或是程式碼實作，本揭露並不在此限。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100:無線網路系統 110:基地台 120:裝置 200:演算法 310,320:曲線 401~407:步驟

圖1是根據一實施例繪示無線網路系統的示意圖。 圖2是根據一實施例繪示演算法200的虛擬碼(pseudo code)。 圖3是根據一實施例繪示各個時槽的資訊年齡以及資料產生時間。 圖4是根據一實施例繪示無線網路系統的資料傳輸方法的流程圖。

200:演算法

Claims (8)

1. 一種無線網路系統，包括：一基地台；以及至少一裝置，通訊連接至該基地台，該至少一裝置用以執行一演算法，該演算法包括：在多個時槽的其中之一，判斷一資訊年齡(age of information，AoI)是否大於等於一第一臨界值；如果該資訊年齡大於等於該第一臨界值，根據一預設機率判斷先前N個時槽內是否已經產生資料，其中N為正整數，否則增加該資訊年齡並處理下一個時槽；如果該資訊年齡小於該第一臨界值，增加該資訊年齡並處理下一個時槽；若先前N個時槽內已經產生該資料，根據該資料已經經過多少個時槽來設定一資料產生時間，否則產生新資料並重置該資料產生時間；傳送該資料或該新資料至該基地台；以及如果傳送成功，則設定該資訊年齡等於該資料產生時間，否則增加該資訊年齡。
2. 如請求項1所述之無線網路系統，其中根據該資料已經經過多少個時槽來設定該資料產生時間的步驟是根據以下數學式1執行，[數學式1]G←k-j+1 其中G為該資料產生時間，k為目前時槽，j為該資料所產生的時槽。
3. 如請求項2所述之無線網路系統，其中重置該資料產生時間的步驟是將該資料產生時間設定為1。
4. 如請求項1所述之無線網路系統，其中該至少一裝置是透過多重存取協定(multiple access control)通訊連接至該基地台。
5. 一種無線網路系統的資料傳輸方法，其中該無線網路系統包括一基地台與至少一裝置，該資料傳輸方法包括：在多個時槽的其中之一，判斷一資訊年齡(age of information，AoI)是否大於等於一第一臨界值；如果該資訊年齡大於等於該第一臨界值，根據一預設機率判斷先前N個時槽內是否已經產生資料，其中N為正整數，否則增加該資訊年齡並處理下一個時槽；如果該資訊年齡小於該第一臨界值，增加該資訊年齡並處理下一個時槽；若先前N個時槽內已經產生該資料，根據該資料已經經過多少個時槽來設定一資料產生時間，否則產生新資料並重置該資料產生時間； 透過該至少一裝置傳送該資料或該新資料至該基地台；以及如果傳送成功，則設定該至少一裝置所對應的該資訊年齡等於該資料產生時間，否則增加該資訊年齡。
6. 如請求項5所述之資料傳輸方法，其中根據該資料已經經過多少個時槽來設定該資料產生時間的步驟是根據以下數學式1執行，[數學式1]G←k-j+1其中G為該資料產生時間，k為目前時槽，j為該資料所產生的時槽。
7. 如請求項6所述之資料傳輸方法，其中重置該資料產生時間的步驟是將該資料產生時間設定為1。
8. 如請求項5所述之資料傳輸方法，其中該至少一裝置是透過多重存取協定(multiple access control)通訊連接至該基地台。