Loading...

Information Freshness in Semantic Communication Networks

Asvadi, Sepehr | 2025

14 Viewed
  1. Type of Document: Ph.D. Dissertation
  2. Language: Farsi
  3. Document No: 58753 (05)
  4. University: Sharif University of Technology
  5. Department: Electrical Engineering
  6. Advisor(s): Ashtiani, Farid
  7. Abstract:
  8. In this Ph.D dissertation, we investigate the information freshness in semantic communication networks. Information freshness plays a fundamental role in networked control systems. In fact, controlling decisions in such networks should be based on information generated recently. The quality of information freshness can be represented by the Age of Information (AoI) function, from which two well-known metrics, i.e., average AoI and average peak AoI (PAoI), are derived. In the semantic approach to information freshness, an effort is made to redesign the network structure to improve these metrics. However, this approach complicates the analysis of communication networks. Previously, analytical approaches such as modeling the communication network with a Markovian stochastic hybrid system (SHS) were proposed for analyzing information freshness metrics. However, these approaches had several shortcomings. As a result, information freshness in many important communication structures has not been thoroughly analyzed. We pursue two objectives in this doctoral dissertation. The first goal is to introduce new approaches for analyzing information freshness metrics, and the second goal is to propose and analyze effective semantic structures for information freshness. The key contributions of this dissertation are as follows:
    1. Proposing a mathematical relation for calculating the average PAoI by modeling the communication network with Markovian SHSs.
    2. Presenting theorems for finding information freshness metrics after modeling the communication network with semi-Markovian SHSs.
    3. Introducing a novel approach for computing information freshness metrics in multi-path networks.
    4. Analyzing the average AoI in symmetric broadcast channels for several scheduling policies.
    5. Proposing and examining a multi-source semantic queueing structure with the concept of vacation times for the server.
    6. Presenting and analyzing a new prioritized structure to fairly regulate information freshness metrics for high-priority and low-priority classes.
    7. Analyzing the average AoI in multi-path multi-hop networks and providing a lower bound for it.
  9. Keywords:
  10. Information freshness ; Information Age ; Semantic Communication ; Stochastic Hybrid Systems

 Digital Object List

 Bookmark

  • مقدمه
    • تازگی اطّلاعات و اهمیت آن
    • رویکرد معنایی در حوزه تازگی اطّلاعات
      • پایه اوّل رویکرد معنایی: معیارهای عملکرد
      • پایه دوم رویکرد معنایی: بهینه‌سازی اجزای شبکه
      • اثرات رویکرد معنایی
    • پژوهش‌های مرتبط پیشین
    • اهداف و دستاوردهای این رساله دکتری
      • هدف اوّل: رویکردهای نوین تحلیل تازگی اطّلاعات
      • هدف دوم: ارائه و تحلیل ساختارهای معنایی مؤثر
    • ساختار رساله
  • مرور ادبیات
    • معیارهای تازگی اطّلاعات
      • تابع سنّ اطّلاعات
      • معیارهای مرتبط با تابع سنّ اطّلاعات
      • سایر معیارهای تازگی اطّلاعات
    • تازگی اطّلاعات در چند ساختار شبکه
      • تازگی اطّلاعات در سیستم‌های صف
      • تازگی اطّلاعات در شبکه‌های دسترسی چندگانه و تصادفی
      • تازگی اطّلاعات در کانال پخش
      • تازگی اطّلاعات در شبکه‌های اولویت‌مند
      • تازگی اطّلاعات در شبکه‌های چندمسیره
  • رویکردهای پیشین تحلیل تازگی اطّلاعات
    • تحلیل گرافیکی برای متوسط سنّ اطّلاعات و قلّه آن
    • کاربرد سیستم‌های ترکیبی تصادفی در تحلیل تازگی اطّلاعات
      • سیستم‌های ترکیبی تصادفی مارکفی
      • کاربرد سیستم‌های ترکیبی تصادفی در تحلیل شبکه متوالی
    • تحلیل تازگی اطّلاعات در سیستم‌های گسسته‌زمان
      • رویکرد گرافیکی در حالت زمان‌شیاردار
      • سیستم‌های ترکیبی تصادفی زمان‌گسسته
      • سیستم‌های ترکیبی تصادفی گسسته زمان مارکفی
  • قلّه سنّ اطّلاعات و سیستم‌های ترکیبی تصادفی
    • مرور کلّی نتایج
    • اثبات قضایا
      • اثبات قضیه اوّل
      • اثبات قضیه دوم
    • متوسط قلّه سنّ اطّلاعات در صف انسدادی
    • متوسط قلّه سنّ اطّلاعات در شبکه متوالی دو گامی
  • سیستم‌های ترکیبی تصادفی نیمه‌مارکفی
    • معرفی سیستم‌های ترکیبی تصادفی نیمه‌مارکفی
    • تحلیل سیستم‌های ترکیبی تصادفی نیمه‌مارکفی
    • اثبات قضایا
      • اثبات قضیه اوّل
      • اثبات قضیه دوم
      • اثبات قضیه سوم
    • تازگی اطّلاعات در صف قبضه‌ای
  • تازگی اطّلاعات در شبکه‌های مخابراتی چندمسیره
    • مبانی تحلیل تازگی اطّلاعات در شبکه‌های چندمسیره
      • تابع سنّ اطّلاعات در شبکه‌های چندمسیره
      • راهکار محاسبه متوسط سنّ اطّلاعات
      • راهکار محاسبه متوسط قلّه سنّ اطّلاعات
    • تازگی اطّلاعات در شبکه تک‌گامی و دو مسیره
  • تازگی اطّلاعات در کانال‌های پخش متقارن
    • ساختار شبکه مورد بررسی
    • متوسط سنّ اطّلاعات تحت سیاست MAF-WNB
    • متوسط سنّ اطّلاعات تحت سیاست PRR-LGFS
    • نتایج عددی
  • تازگی اطّلاعات در ساختار صف چندمنبعه
    • معرفی ساختار صف ارائه شده
    • مدل سازی ساختار صف ارائه شده
    • تحلیل ساختار صف ارائه شده
      • محاسبه متوسط زمانی i(t)
      • محاسبه متوسط زمانی i(t)
    • بررسی عملکرد ساختار صف ارائه شده
  • تازگی اطّلاعات در شبکه‌های اولویت‌مند
    • معرفی ساختار مورد بررسی
      • کلیات مدل مورد بررسی
      • جزئیات ورود و سرویس بسته‌ها
      • اهداف مورد نظر
    • تحلیل ساختار معرفی شده با موعدهای نمایی
    • تحلیل ساختار معرفی شده در حالت عمومی
      • یافتن متوسط فواصل به‌هنگام‌رسانی در کلاس 1
      • یافتن متوسط تأخیر در کلاس 1
      • یافتن متوسط قلّه سنّ اطّلاعات در کلاس 2
      • اثبات قضیه 9-4
    • نتایج عددی
  • تحلیل شبکه‌های چندمسیره و چندگامی
    • ساختار شبکه مورد بررسی
    • تحلیل متوسط سنّ اطّلاعات
      • متوسط سنّ اطّلاعات تحت سیاست تصادفی
      • متوسط سنّ اطّلاعات تحت سیاست تکثیری
      • اثبات قضیه اول
      • اثبات قضیه دوم
    • نتایج عددی
  • جمع‌بندی و کارهای آینده
    • دستاوردهای حاصله در راستای هدف اوّل
      • محاسبه متوسط قلّه سنّ اطّلاعات به وسیله SHS‌های مارکفی
      • تحلیل و بررسی SHS‌های نیمه‌مارکفی
      • رویکرد تحلیلی جدید در شبکه‌های چندمسیره
    • دستاوردهای حاصله در راستای هدف دوم
      • تحلیل کانال‌های پخش
      • ارائه و تحلیل ساختار صف معنایی جدید
      • ارائه و تحلیل ساختار اولویت‌مند مبتنی بر جایگزینی تأخیر یافته
      • تحلیل شبکه‌های چندمسیره و چندگامی
  • مراجع
  • واژه‌نامه
...see more