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

Performance of delay constrained multi-user networks under block fading channels

Abstract. Effective Capacity (EC) indicates the maximum communication rate subject to a certain delay constraint while the effective energy efficiency (EEE) is the ratio between this EC and power consumption. In this thesis, we analyze the EC and EEE of multi-user networks operating in the finite blocklength (FB) regime. We consider a layout in which a number of users communicate through a common controller. A closed form approximation for the per-user EC is obtained in Nakagami-$m$ fading collision channels. The interference between transmitted data packets degrades the EC of each user. We analyze this decrease proposing three methods to alleviate the interference effect for one of the users namely power control, delay relaxation and joint compensation. Our results show that systems with stringent delay constraints favor power controlled compensation while for shorter packets, the amount of compensation needed by both $\theta$ relaxation and power increases is higher. Thus, it is more costly to compensate networks transmitting shorter packets. For the hybrid method, we maximize an objective function whose parameters are determined according to the design priorities (e.g. rate and latency requirements). Results reveal that there is a unique throughput maximizer which is obtained at an intermediate operational point applying both power control and delay relaxation in the joint compensation process. Furthermore, we characterize the per-user EEE for different power consumption models. The results show that accounting for empty buffer probability enhances the per-user EEE. Considering flexible transmission power and extending the maximum delay tolerance boosts the per-use EEE which is depicted in the thesis as well.Suorituskyvyn analysointi viiverajoitetussa usean käyttäjän verkossa lohkohäipyvissä kanavissa. Tiivistelmä. Efektiivinen kapasiteetti kertoo suurimman tietoliikenteen datanopeuden määritetyillä viiverajoituksilla, kun taas efektiivinen energiatehokkuus on efektiivisen kapasiteetin ja tehonkulutuksen suhde. Tässä diplomityössä analysoidaan efektiivistä kapasiteettia ja efektiivistä energiatehokkuutta monisolmuverkoissa, kun käytetään äärellistä lohkon pituutta. Työssä käytetään mallia, jossa tietty määrä käyttäjiä kommunikoi yhteisen kontrolliyksikön ohjaamana. Käyttäjäkohtaisen efektiivisen kapasiteetin approksimaatio datapakettien törmäyksiä mallintavassa Nakagami-m -häipyvässä kanavassa esitetään suljetussa muodossa. Lähetettyjen pakettien välinen häiriö pienentää kunkin käyttäjän efektiivistä kapasiteettia. Tätä ilmiötä pyritään lieventämään kolmella ehdotetulla menetelmällä eli tehonsäädöllä, viiveen relaksoinnilla ja näiden yhdistelmällä. Tutkimustulokset osoittavat, että tiukkojen viiverajoitusten voimassa ollessa tehopohjainen kompensointi toimii parhaiten kun taas lyhyille paketeille vaaditaan molempia menetelmiä. Niinpä lyhyitä paketteja lähettävien verkkojen kompensointimenetelmät ovat kalliita. Hybridimenetelmässä maksimoidaan kohdefunktio, jonka parametrit määritellään suunnittelukriteerien mukaan (esim. datanopeus- ja viivevaatimukset). Tulokset paljastavat, että löytyy yksittäinen verkon läpäisykyvyn maksimoiva keskialueen toimintapisteen kohta teho- ja viivepohjaista kompensointia yhdessä käytettäessä. Lisäksi työssä mallinnetaan solmukohtaista efektiivistä energiatehokkuutta eri tehonkulutusmalleilla. Tulokset osoittavat, että ei-tyhjän puskurin todennäköisyyden huomioon ottaminen parantaa käyttäjäkohtaista efektiivistä energiatehokkuutta. Työssä kuvataan myös, että joustavan lähetystehon käyttö yhdessä väljennetyn maksimiviivetoleranssin kanssa parantaa efektiivistä energiatehokkuutta

Ultra-Reliable Short Message Cooperative Relaying Protocols under Nakagami-m Fading

In the next few years, the development of wireless communication systems propel the world into a fully connected society where the Machine-type Communications (MTC) plays a substantial role as key enabler in the future cellular systems. MTC is categorized into mMTC and uMTC, where mMTC provides the connectivity to massive number of devices while uMTC is related to low latency and ultra-high reliability of the wireless communications. This paper studies uMTC with incremental relaying technique, where the source and relay collaborate to transfer the message to a destination. In this paper, we compare the performance of two distinct cooperative relaying protocols with the direct transmission under the finite blocklength (FB) regime. We define the overall outage probability in each relaying scenario, supposing Nakagami-m fading. We show that cooperative communication outperforms direct transmission under the FB regime. In addition, we examine the impact of fading severity and power allocation factor on the outage probability and the minimum delay required to meet the ultra-reliable communication requirements. Moreover, we provide the outage probability in closed form