에너지 수확 기반 상태 업데이트로 정보 전송: AoI와 전송률의 트레이드오프

본 연구는 에너지 수확 기반 무선 센서 노드가 물리 현상의 상태 정보를 주기적으로 업데이트하면서, 동시에 독립적인 메시지를 전송하는 새로운 통신 모델을 제안한다. 기존 문헌에서는 AoI(Age of Information)를 최소화하기 위한 업데이트 스케줄링과, 에너지 제약 하에서의 채널 용량(또는 전송률) 분석을 별도로 다루었지만, 이 논문은 두 목표가 동일한 패킷 타이밍에 의해 동시에 결정된다는 점에 주목한다. 시스템 모델은 다음과 같다. 트랜스미터는 단위 용량 배터리(B=1)를 가지고 있으며, 에너지 도착은 i.i.d. Bernoulli(q) 과정으로 모델링된다. 각 에너지 도착 간격 τ_i는 기하분포를 따르고, 업데이트 전송은 1 단위 에너지를 소모한다. 업데이트 시점은 τ_i와 추가 대기 시간 V_i의 합 T_i=τ_i+V_i 로 정의되며, V_i는 메시지 정보를 타이밍에 인코딩하는 변수이다. 즉, V_i가 클수록 전송률은 증가하지만, 동시에 업데이트 간 간격이 늘어나 AoI가 악화된다. 재생 정책(renewal policy) 하에서는 τ_i와 V_i가 독립적인 동일 분포를 갖는다고 가정하고, 평균 AoI는 Δ=E