University of Oulu

Resource allocation for machine-type communication : from massive connectivity to ultra-reliable low-latency

Saved in:
Author: Alcaraz López, Onel Luis1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering, Communications Engineering
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 8.2 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526225784
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2020
Publish Date: 2020-04-06
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented, with the assent of the Doctoral Training Committee of Information Technology and Electrical Engineering of the University of Oulu, for public defence in the Wetteri auditorium (IT115), Linnanmaa, on 16 April 2020, at 12 noon
Tutor: Professor Matti Latva-aho
Assistant Professor Hirley Alves
Reviewer: Professor Tony Quek
Professor Mohamed Slim Alouini
Opponent: Professor Eduard Jorswieck
Description:

Abstract

Machine-Type Communication (MTC) is an integral use case for future generation of cellular networks, where fully automated data generation, exchange, processing and actuation among intelligent machines is foreseen. The objective of this thesis is to develop and analyze resource allocation strategies to efficiently meet the stringent requirements of diverse MTC scenarios. We exploit the concepts of power control, rate allocation, relaying cooperation, spatial diversity, aggregation and Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA), in the context of such new and challenging scenarios. An overarching objective is to carry out both theoretical performance analysis and algorithm development of the proposed strategies, while focusing on three relevant MTC scenarios.

First, we analyze interference-free setups where Machine-Type Devices (MTDs) are powered via Wireless Energy Transfer (WET). Several mechanisms are proposed and analyzed for enabling Ultra-Reliable Low-Latency Communications (URLLC). Second, we propose power and rate control strategies for large-scale interference-limited networks under reliability and delay constraints. We explore Orthogonal Multiple Access (OMA) and NOMA schemes, for which our proposed schemes depend only on the target reliability and latency, and on average statistics of the signal and interference. Third, we analyze data aggregation and resource scheduling mechanisms for massive MTC (mMTC). We propose NOMA and develop an analytical framework based on Stochastic Geometry to investigate its performance. For the scenario on which MTDs are powered via WET, we propose Channel State Information (CSI)-free multiple-antenna strategies to power the massive set of MTDs.

All in all, our proposed techniques were demonstrated to have great potential to improve performance metrics such as reliability, latency, energy efficiency and scalability with respect to the number of simultaneously served devices. We expect that our novel ideas influence the development and implementation of new and more sophisticated strategies for coping with the increasingly growing quality of service demands of future networks.

see all

Tiivistelmä

Konetyyppinen tietoliikenne (MTC) on tärkeä käyttökohde tulevaisuuden langattomissa verkoissa sisältäen täysautomaattisen datan generoinnin, siirron, prosessoinnin ja aktivoinnin älykkäiden koneiden kesken. Väitöskirjan tavoitteena on kehittää ja analysoida tiukkoihin ja suuresti vaihteleviin vaatimuksiin soveltuvia MTC-resurssiallokaatiostrategioita. Työssä käytetään tehon ja datanopeuden säätöä, yhteistoiminnallista releointia, tilatason diversiteettiä, datan yhdistelyä ja epäortogonaalista monikäyttöä (NOMA) uusiin ja haastaviin tarpeisiin. Työn läpiluotaavana teemana on suorittaa teoreettista suorituskykyarviointia ja algoritmikehitystä esitetyille strategioille keskittymällä kolmeen olennaiseen MTC-käyttökohteeseen.

Aluksi analysoidaan häiriövapaita järjestelmiä, joissa MTC-laitteet hankkivat energiansa langattomasti (WET). Työssä esitetään ja analysoidaan useita mekanismeja erittäin luotettavaan pienen latenssin tiedonsiirtoon (URLLC). Seuraavaksi esitetään tehon ja datanopeuden kontrollointistrategioita laajoihin häiriörajoitettuihin verkkoihin, joissa luotettavuudella ja viiveellä on rajoitteita. Työssä ehdotetaan ortogonaalisiin (OMA) ja NOMA-järjestelmiin ominaisuuksia, jotka riippuvat vain tavoiteltavasta luotettavuudesta ja latenssista sekä signaalin ja häiriöiden keskimääräisistä tilastollisista jakaumista. Kolmanneksi analysoidaan datan yhdistelyä ja resurssien allokointia massiivisissa MTC-verkoissa. Suorituskykyarvioinnissa käytetään NOMA: an ja stokastiseen geometriaan perustuvaa analyyttistä viitekehystä. WET-pohjaisessa skenaariossa esitetään kanavatilatietovapaita moniantennistrategioita sähköistämään suurta määrää MTC-laitteita.

Kaiken kaikkiaan väitöstyössä esitetyillä tekniikoilla on demonstroitu suuri potentiaali parantaa sellaisia suorituskykykriteerejä kuten luotettavuus, latenssi, energiatehokkuus ja skaalautuvuus samanaikaisesti palveltavan laitemäärän suhteen. On syytä olettaa, että esitetyillä uusilla ideoilla on vaikuttavuutta vielä kehittyneempien strategioiden kehitykselle tulevaisuuden verkkojen yhä kiristyvien palvelun laatuvaatimusten keskellä.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-2578-4
ISBN Print: 978-952-62-2577-7
Issue: 743
Type of Publication: G4 Doctoral dissertation (monograph)
Field of Science: 213 Electronic, automation and communications engineering, electronics
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2020. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.