Ultra reliable communication via optimum power allocation for repetition and parallel coding in finite block-length

Abstract. In this thesis we evaluate the performance of several retransmission mechanisms with ultra-reliability constraints. First, we show that achieving a very low packet outage probability by using an open loop setup is a difficult task. Thus, we resort to retransmission schemes as a solution for achieving the required low outage probabilities for ultra reliable communication. We analyze three retransmission protocols, namely Type-1 Automatic Repeat Request (ARQ), Chase Combining Hybrid ARQ (CC-HARQ) and Incremental Redundancy (IR) HARQ. For these protocols, we develop optimal power allocation algorithms that would allow us to reach any outage probability target in the finite block-length regime. We formulate the power allocation problem as minimization of the average transmitted power under a given outage probability and maximum transmit power constraint. By utilizing the Karush-Kuhn-Tucker (KKT) conditions, we solve the optimal power allocation problem and provide closed form solutions. Next, we analyze the effect of implementing these protocols on the throughput of the system. We show that by using the proposed power allocation scheme we can minimize the loss of throughput that is caused from the retransmissions. Furthermore, we analyze the effect of the feedback delay length in our protocols.Optimaalista tehoallokointia toisto- ja rinnakkaiskoodaukseen käyttävä erittäin luotettava tiedonsiirto äärellisillä lohkonpituuksilla. Tiivistelmä. Tässä työssä arvioidaan usean uudelleenlähetysmenetelmän suorituskykyä erittäin luotettavan tietoliikenteen järjestelmäoletuksin. Aluksi osoitetaan, että hyvin alhaisen pakettilähetysten katkostodennäköisyyden saavuttaminen avoimen silmukan menetelmillä on haastava tehtävä. Niinpä työssä turvaudutaan uudelleenlähetyspohjaisiin ratkaisuihin, joilla on mahdollista päästä suuren luotettavuuden edellyttämiin hyvin alhaisiin katkostodennäköisyyksiin. Työssä analysoidaan kolmea uudelleenlähetysprotokollaa, nimittäin tyypin 1 automaattista uudelleen lähetystä (ARQ), Chase Combining -tyyppistä hybridi-ARQ -protokollaa (CC-HARQ) ja redundanssia lisäävää HARQ-protokollaa (IR-HARQ). Näille protokollille kehitetään optimaalisia tehon allokointialgoritmeja, joiden avulla päästään halutulle katkostodennäköisyystasolle äärellisillä lohkonpituuksilla. Tehon allokointiongelma muotoillaan keskimääräisen lähetystehon minimointiongelmaksi toteuttaen halutun katkostodennäköisyyden ja maksimilähetystehorajoituksen. Käyttämällä Karush-Kuhn-Tucker (KKT) -ehtoja ratkaistaan optimaalinen tehoallokointiongelma ja esitetään ratkaisut suljetussa muodossa. Seuraavaksi analysoidaan näiden protokollien järjestelmätason toteutusta läpäisykykytarkastelujen avulla. Niillä osoitetaan, että ehdotetulla tehon allokointimenetelmällä voidaan minimoida uudelleen lähetyksistä aiheutuvia suorituskykyhäviöitä. Lisäksi työssä tutkitaan takaisinkytkentäviiveen vaikutusta esitettyihin protokolliin

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

Predictor Antenna Systems: Exploiting Channel State Information for Vehicle Communications

Vehicle communication is one of the most important use cases in the fifth generation of wireless networks (5G). The growing demand for quality of service (QoS) characterized by performance metrics, such as spectrum efficiency, peak data rate, and outage probability, is mainly limited by inaccurate prediction/estimation of channel state information (CSI) of the rapidly changing environment around moving vehicles. One way to increase the prediction horizon of CSI in order to improve the QoS is deploying predictor antennas (PAs). A PA system consists of two sets of antennas typically mounted on the roof of a vehicle, where the PAs positioned at the front of the vehicle are used to predict the CSI observed by the receive antennas (RAs) that are aligned behind the PAs. In realistic PA systems, however, the actual benefit is affected by a variety of factors, including spatial mismatch, antenna utilization, temporal correlation of scattering environment, and CSI estimation error. This thesis investigates different resource allocation schemes for the PA systems under practical constraints.Comment: Licentiate thesis, Chalmers University of Technolog

Predictor Antenna Systems: Exploiting Channel State Information for Vehicle Communications

Vehicle communication is one of the most important use cases in the fifth generation of wireless networks (5G).\ua0 The growing demand for quality of service (QoS) characterized by performance metrics, such as spectrum efficiency, peak data rate, and outage probability, is mainly limited by inaccurate prediction/estimation of channel state information (CSI) of the rapidly changing environment around moving vehicles. One way to increase the prediction horizon of CSI in order to improve the QoS is deploying predictor antennas (PAs).\ua0 A PA system consists of two sets of antennas typically mounted on the roof of a vehicle, where the PAs positioned at the front of the vehicle are used to predict the CSI observed by the receive antennas (RAs) that are aligned behind the PAs. In realistic PA systems, however, the actual benefit is affected by a variety of factors, including spatial mismatch, antenna utilization, temporal correlation of scattering environment, and CSI estimation error. This thesis investigates different resource allocation schemes for the PA systems under practical constraints, with main contributions summarized as follows.First, in Paper A, we study the PA system in the presence of the so-called spatial mismatch problem, i.e., when the channel observed by the PA is not exactly the same as the one experienced by the RA. We derive closed-form expressions for the throughput-optimized rate adaptation, and evaluate the system performance in various temporally-correlated conditions for the scattering environment. Our results indicate that PA-assisted adaptive rate adaptation leads to a considerable performance improvement, compared to the cases with no rate adaptation. Then, to simplify e.g., various integral calculations as well as different operations such as parameter optimization, in Paper B, we propose a semi-linear approximation of the Marcum Q-function, and apply the proposed approximation to the evaluation of the PA system. We also perform deep analysis of the effect of various parameters such as antenna separation as well as CSI estimation error. As we show, our proposed approximation scheme enables us to analyze PA systems with high accuracy.The second part of the thesis focuses on improving the spectral efficiency of the PA system by involving the PA into data transmission. In Paper C, we analyze the outage-limited performance of PA systems using hybrid automatic repeat request (HARQ). With our proposed approach, the PA is used not only for improving the CSI in the retransmissions to the RA, but also for data transmission in the initial round.\ua0 As we show in the analytical and the simulation results, the combination of PA and HARQ protocols makes it possible to improve the spectral efficiency and adapt transmission parameters to mitigate the effect of spatial mismatch