Delay Performance of MISO Wireless Communications

Ultra-reliable, low latency communications (URLLC) are currently attracting significant attention due to the emergence of mission-critical applications and device-centric communication. URLLC will entail a fundamental paradigm shift from throughput-oriented system design towards holistic designs for guaranteed and reliable end-to-end latency. A deep understanding of the delay performance of wireless networks is essential for efficient URLLC systems. In this paper, we investigate the network layer performance of multiple-input, single-output (MISO) systems under statistical delay constraints. We provide closed-form expressions for MISO diversity-oriented service process and derive probabilistic delay bounds using tools from stochastic network calculus. In particular, we analyze transmit beamforming with perfect and imperfect channel knowledge and compare it with orthogonal space-time codes and antenna selection. The effect of transmit power, number of antennas, and finite blocklength channel coding on the delay distribution is also investigated. Our higher layer performance results reveal key insights of MISO channels and provide useful guidelines for the design of ultra-reliable communication systems that can guarantee the stringent URLLC latency requirements.Comment: This work has been submitted to the IEEE for possible publication. Copyright may be transferred without notice, after which this version may no longer be accessibl

Resource management in QoS-aware wireless cellular networks

2011 Summer.Includes bibliographical references.Emerging broadband wireless networks that support high speed packet data with heterogeneous quality of service (QoS) requirements demand more flexible and efficient use of the scarce spectral resource. Opportunistic scheduling exploits the time-varying, location-dependent channel conditions to achieve multiuser diversity. In this work, we study two types of resource allocation problems in QoS-aware wireless cellular networks. First, we develop a rigorous framework to study opportunistic scheduling in multiuser OFDM systems. We derive optimal opportunistic scheduling policies under three common QoS/fairness constraints for multiuser OFDM systems--temporal fairness, utilitarian fairness, and minimum-performance guarantees. To implement these optimal policies efficiently, we provide a modified Hungarian algorithm and a simple suboptimal algorithm. We then propose a generalized opportunistic scheduling framework that incorporates multiple mixed QoS/fairness constraints, including providing both lower and upper bound constraints. Next, taking input queues and channel memory into consideration, we reformulate the transmission scheduling problem as a new class of Markov decision processes (MDPs) with fairness constraints. We investigate the throughput maximization and the delay minimization problems in this context. We study two categories of fairness constraints, namely temporal fairness and utilitarian fairness. We consider two criteria: infinite horizon expected total discounted reward and expected average reward. We derive and prove explicit dynamic programming equations for the above constrained MDPs, and characterize optimal scheduling policies based on those equations. An attractive feature of our proposed schemes is that they can easily be extended to fit different objective functions and other fairness measures. Although we only focus on uplink scheduling, the scheme is equally applicable to the downlink case. Furthermore, we develop an efficient approximation method--temporal fair rollout--to reduce the computational cost

Performance Evaluation of LTE and LTE advanced standards for next generation mobile networks

Nel corso della trattazione sono analizzati gli standard 3GPP LTE e LTE-Advanced per la prossima generazione delle reti mobili cellulari. L'algoritmo OptiMOS, che può essere impiegato dalla Stazione Base per servire in modo efficiente connessioni VoIP, è descritto nel capitolo [8]. L’algoritmo di link scheduling Relay, finalizzato a ottimizzare le reti LTE avanzate in presenza di nodi relay è descritto nel capitolo [9]. Questo lavoro è stato presentato in adempimento parziale dei requisiti per la Laurea di Dottore di Ricerca in Ingegneria dell'Informazione presso l'ufficio informazioni Dipartimento di Ingegneria dell'Università degli Studi di Pisa, Italia

Adaptive Communications for Next Generation Broadband Wireless Access Systems

Un dels aspectes claus en el disseny i gestió de les xarxes sense fils d'accés de banda ampla és l'ús eficient dels recursos radio. Des del punt de vista de l'operador, l'ample de banda és un bé escàs i preuat que s´ha d'explotar i gestionar de la forma més eficient possible tot garantint la qualitat del servei que es vol proporcionar. Per altra banda, des del punt de vista del usuari, la qualitat del servei ofert ha de ser comparable al de les xarxes fixes, requerint així un baix retard i una baixa pèrdua de paquets per cadascun dels fluxos de dades entre la xarxa i l'usuari. Durant els darrers anys s´han desenvolupat nombroses tècniques i algoritmes amb l'objectiu d'incrementar l'eficiència espectral. Entre aquestes tècniques destaca l'ús de múltiples antenes al transmissor i al receptor amb l'objectiu de transmetre diferents fluxos de dades simultaneament sense necessitat d'augmentar l'ample de banda. Per altra banda, la optimizació conjunta de la capa d'accés al medi i la capa física (fent ús de l'estat del canal per tal de gestionar de manera optima els recursos) també permet incrementar sensiblement l'eficiència espectral del sistema.L'objectiu d'aquesta tesi és l'estudi i desenvolupament de noves tècniques d'adaptació de l'enllaç i gestió dels recursos ràdio aplicades sobre sistemes d'accés ràdio de propera generació (Beyond 3G). Els estudis realitzats parteixen de la premissa que el transmisor coneix (parcialment) l'estat del canal i que la transmissió es realitza fent servir un esquema multiportadora amb múltiples antenes al transmisor i al receptor. En aquesta tesi es presenten dues línies d'investigació, la primera per casos d'una sola antenna a cada banda de l'enllaç, i la segona en cas de múltiples antenes. En el cas d'una sola antena al transmissor i al receptor, un nou esquema d'assignació de recursos ràdio i priorització dels paquets (scheduling) és proposat i analitzat integrant totes dues funcions sobre una mateixa entitat (cross-layer). L'esquema proposat té com a principal característica la seva baixa complexitat i que permet operar amb transmissions multimedia. Alhora, posteriors millores realitzades per l'autor sobre l'esquema proposat han permès també reduir els requeriments de senyalització i combinar de forma óptima usuaris d'alta i baixa mobilitat sobre el mateix accés ràdio, millorant encara més l'eficiència espectral del sistema. En cas d'enllaços amb múltiples antenes es proposa un nou esquema que combina la selecció del conjunt optim d'antenes transmissores amb la selecció de la codificació espai- (frequència-) temps. Finalment es donen una sèrie de recomanacions per tal de combinar totes dues línies d'investigació, així con un estat de l'art de les tècniques proposades per altres autors que combinen en part la gestió dels recursos ràdio i els esquemes de transmissió amb múltiples antenes.Uno de los aspectos claves en el diseño y gestión de las redes inalámbricas de banda ancha es el uso eficiente de los recursos radio. Desde el punto de vista del operador, el ancho de banda es un bien escaso y valioso que se debe explotar y gestionar de la forma más eficiente posible sin afectar a la calidad del servicio ofrecido. Por otro lado, desde el punto de vista del usuario, la calidad del servicio ha de ser comparable al ofrecido por las redes fijas, requiriendo así un bajo retardo y una baja tasa de perdida de paquetes para cada uno de los flujos de datos entre la red y el usuario. Durante los últimos años el número de técnicas y algoritmos que tratan de incrementar la eficiencia espectral en dichas redes es bastante amplio. Entre estas técnicas destaca el uso de múltiples antenas en el transmisor y en el receptor con el objetivo de poder transmitir simultáneamente diferentes flujos de datos sin necesidad de incrementar el ancho de banda. Por otro lado, la optimización conjunta de la capa de acceso al medio y la capa física (utilizando información de estado del canal para gestionar de manera óptima los recursos) también permite incrementar sensiblemente la eficiencia espectral del sistema.El objetivo de esta tesis es el estudio y desarrollo de nuevas técnicas de adaptación del enlace y la gestión de los recursos radio, y su posterior aplicación sobre los sistemas de acceso radio de próxima generación (Beyond 3G). Los estudios realizados parten de la premisa de que el transmisor conoce (parcialmente) el estado del canal a la vez que se considera que la transmisión se realiza sobre un sistema de transmisión multiportadora con múltiple antenas en el transmisor y el receptor. La tesis se centra sobre dos líneas de investigación, la primera para casos de una única antena en cada lado del enlace, y la segunda en caso de múltiples antenas en cada lado. Para el caso de una única antena en el transmisor y en el receptor, se ha desarrollado un nuevo esquema de asignación de los recursos radio así como de priorización de los paquetes de datos (scheduling) integrando ambas funciones sobre una misma entidad (cross-layer). El esquema propuesto tiene como principal característica su bajo coste computacional a la vez que se puede aplicar en caso de transmisiones multimedia. Posteriores mejoras realizadas por el autor sobre el esquema propuesto han permitido también reducir los requisitos de señalización así como combinar de forma óptima usuarios de alta y baja movilidad. Por otro lado, en caso de enlaces con múltiples antenas en transmisión y recepción, se presenta un nuevo esquema de adaptación en el cual se combina la selección de la(s) antena(s) transmisora(s) con la selección del esquema de codificación espacio-(frecuencia-) tiempo. Para finalizar, se dan una serie de recomendaciones con el objetivo de combinar ambas líneas de investigación, así como un estado del arte de las técnicas propuestas por otros autores que combinan en parte la gestión de los recursos radio y los esquemas de transmisión con múltiples antenas.In Broadband Wireless Access systems the efficient use of the resources is crucial from many points of views. From the operator point of view, the bandwidth is a scarce, valuable, and expensive resource which must be exploited in an efficient manner while the Quality of Service (QoS) provided to the users is guaranteed. On the other hand, a tight delay and link quality constraints are imposed on each data flow hence the user experiences the same quality as in fixed networks. During the last few years many techniques have been developed in order to increase the spectral efficiency and the throughput. Among them, the use of multiple antennas at the transmitter and the receiver (exploiting spatial multiplexing) with the joint optimization of the medium access control layer and the physical layer parameters.In this Ph.D. thesis, different adaptive techniques for B3G multicarrier wireless systems are developed and proposed focusing on the SS-MC-MA and the OFDM(A) (IEEE 802.16a/e/m standards) communication schemes. The research lines emphasize into the adaptation of the transmission having (Partial) knowledge of the Channel State Information for both; single antenna and multiple antenna links. For single antenna links, the implementation of a joint resource allocation and scheduling strategy by including adaptive modulation and coding is investigated. A low complexity resource allocation and scheduling algorithm is proposed with the objective to cope with real- and/or non-real- time requirements and constraints. A special attention is also devoted in reducing the required signalling. However, for multiple antenna links, the performance of a proposed adaptive transmit antenna selection scheme jointly with space-time block coding selection is investigated and compared with conventional structures. In this research line, mainly two optimizations criteria are proposed for spatial link adaptation, one based on the minimum error rate for fixed throughput, and the second focused on the maximisation of the rate for fixed error rate. Finally, some indications are given on how to include the spatial adaptation into the investigated and proposed resource allocation and scheduling process developed for single antenna transmission

Robustness in Nonorthogonal Multiple Access 5G Networks

The diversity of fifth generation (5G) network use cases, multiple access technologies, and network deployments requires measures of network robustness that complement throughput-centric error rates. In this paper, we investigate robustness in nonorthogonal multiple access (NOMA) 5G networks through temporal network theory. We develop a graph model and analytical framework to characterize time-varying network connectedness as a function of NOMA overloading. We extend our analysis to derive lower bounds and probability expressions for the number of medium access control frames required to achieve pairwise connectivity between all network devices. We support our analytical results through simulation