近日，第22届国际移动、自组织与无线网络建模与优化会议（International Symposium on Modeling and Optimization in Mobile, Ad Hoc and Wireless Networks, WiOpt 2024）在韩国首尔举行。电子学院张嘉楠研究员、程翔教授团队发表题为“Regret of Age of Information Bandits for Single and Multiple Sources under Non-stationary Channels”的论文，获得最佳论文奖（Best Paper Award），也是本次会议唯一的最佳论文奖。该工作研究未知、非平稳信道下网络调度问题，通过最小化信息年龄（Age of Information, AoI），保证信息传输的时效性，设计了信息年龄近似最优的调度方案。

在无人驾驶等网联智能应用中，获取实时感知信息对智能体的决策控制至关重要。信息年龄作为一种表示信息时效性的指标，描述了传输时延和数据生成间隔等因素对信息时效性的影响。当前针对优化信息年龄的调度算法大多假设已知信道服务速率的统计信息；然而，考虑智能体的移动性，实际场景通常有未知可变（非平稳）的服务速率。针对复杂环境导致实际信道服务速率非平稳的问题，文章建模了信道平均服务速率随时间连续变化的“漂移环境（Drifting Environment）”，通过平均服务速率变化量刻画信道非平稳程度。

通信系统由信源、信道、信宿构成。单个或多个信源生成数据包，经多信道传至信宿。为保证信息时效性，通过调度信源、信道传输以最小化信宿的信息年龄。在单源模型假设下，通过Multi-armed Bandit强化学习估计变化的信道服务率，调度当前估计传输成功率最高的信道进行传输。多源模型分为信源-信道解耦合调度、信源-信道耦合调度两种情况，前者在选取信道的同时允许独立选取当前具有最高AoI的信源传输；后者综合考虑信源AoI的值、相应信道服务速率进行信源-信道联合调度。

左图：单源传输模型；右图：多源传输模型

本研究以给定算法与最优算法AoI的差距“信息年龄遗憾（AoI regret）”作为描述算法性能的指标，推导了AoI regret理论上、下界。首先，建立了漂移环境非平稳信道下的单源、多源传输模型的AoI regret下界，即任意算法的AoI regret都不会低于此下界。然后，对于单源传输模型，应用REXP3算法；对于多源传输模型，提出Max Age REXP3和Max Weight Age UCB调度算法。证明以上算法所达到的AoI regret上界与下界在一个对数因子内，即接近最优。

应用示例：车辆向周围车辆传输多模态感知数据，可建模为多源-多信道传输

该工作的创新点在于：（1）首次考虑信道服务速率未知且连续变化场景下信息年龄优化问题。（2）克服了非平稳条件下不同时隙信道状态非等价的问题，刻画了非平稳信道下AoI regret下界。（3）针对单源、多源系统设计近似最优算法并证明AoI regret上界，与理论下界仅存在微小的对数差距。

北京大学电子学院博士生王夏怡为论文第一作者并作会议报告，论文作者还包括北京大学电子学院张嘉楠研究员、程翔教授、赵玉萍教授。这项工作得到了国家自然科学基金委专项项目、杰出青年科学基金、青年科学基金，新基石科学基金会科学探索奖等项目的支持。

关于WiOpt：

International Symposium on Modeling and Optimization in Mobile, Ad Hoc, and Wireless Networks（WiOpt）是无线网络优化与控制领域一流国际会议，旨在汇集无线网络建模、性能分析和优化相关的最新研究成果。包括移动网络、边缘计算、智能网络、内容驱动网络、认知网络、车联网、机器人网联系统等领域。第22届WiOpt由IEEE信息论学会、IEEE控制系统学会、国际信息处理联合会（IFIP）主办，韩国高丽大学承办，从接收论文中仅选授予一篇最佳论文。