University of Oulu

Energy efficient QoS provisioning and resource allocation for machine type communication

Saved in:
Author: Shehab, Mohammad1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 3.2 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526230467
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2021
Publish Date: 2021-09-22
Thesis type: Doctoral Dissertation
Tutor: Professor Matti Latva-aho
Assistant Professor Hirley Alves
Reviewer: Professor Karim Seddik
Professor Mustafa Gursoy
Opponent: Professor Mustafa Gursoy
Professor Olav Tirkkonen
Description:

Abstract

New generations of mobile communication are expected to support QoS constraints ranging from low latency (few milliseconds) and extreme reliability (> 99.99%), enabling Ultra-Reliable Low Latency Communication (URLLC). Beside health risks of electromagnetic radiation, URLLC devices usually have limited power resources, which dictates careful planning of throughput maximization with green communication schemes. Hence, it becomes crucial to optimize resource allocation and study the interplay between power, delay, and reliability.

Effective Capacity (EC) indicates the maximum communication rate subject to a certain delay constraint while effective energy efficiency (EEE) denotes the ratio between EC and power consumption. We analyze these metrics in ultra-reliable networks and characterize the performance gap resulting from finite blocklength operation. Our analysis determines the upper bounds for EC and delay constraint when varying transmission power. We characterize the power-delay trade-off for fixed EC and propose a power saving scheme which exploits the asymptotic behavior of EC in the high SNR regime. We study different models for energy efficient transmission such as empty buffer probability and adaptive retransmission. We obtain closed form expressions for EC and EEE in fading channels as a function of power, error probability, and delay. Moreover, the optimum power allocation strategy for maximizing EEE is defined for each model.

Next, we present an opportunistic spectrum sharing scheme that applies ARQ with successive interference cancellation. The proposed scheme outperforms the open loop and non-opportunistic scenarios in terms of secondary user transmit power and primary user reliability. In the context of retransmissions, we also illustrate a power saving uplink algorithm by optimally allocating time and frequency resources for packets with heterogeneous reliability requirements.

Finally, in the context of massive access schemes, we assume discrete Markovian events that activate IoT devices. We develop efficient traffic prediction scheme which exploits the traffic correlation on the event and temporal dimensions. This enables a fast uplink (FU) grant procedure, which outperforms conventional random access and time division duplex in terms of regret and system usage, while maintaining its age superiority over random access in massive deployments.

see all

Tiivistelmä

Uuden sukupolven liikkuvan tietoliikenteen odotetaan tukevan Keskeiset erittäin luotettavan pienen latenssin tiedonsiirron (URLLC) ja palvelun laadun (QoS) vaatimukset vaihtelevat pienestä muutaman millisekunnin luokkaa olevasta viiveestä äärimmäiseen, yli 99,99 % luotettavuuteen. Sähkömagneettisen säteilyn terveysriskien lisäksi, useimmissa tapauksissa URLLC-laitteilla on rajalliset virtalähteet, joka ekologista energiatehokasta viestintäjärjestelmää unohtamatta. Tässä, on ratkaisevan tärkeää optimoida resurssien kohdentamista ja tehon, latenssin ja luotettavuuden välistä vuorovaikutusta.

Efektiivinen kapasiteetti (EC) ilmaisee suurimman tiedonsiirtonopeuden tietyllä viivekriteerillä, kun taas efektiivinen energiatehokkuus (EEE) tarkoittaa EC:n ja energiankulutuksen suhdetta. Analysoimme näitä mittareita erittäin luotettavina verkoissa ja luonnehdimme äärellisen lohkon pituudesta johtuvaa suorituskykyä. Analyysi määrittelee myös EC:n ylärajat ja viiverajoitukset lähetystehoa vaihdettaessa. Tehon ja viiveen välistä kaupankäyntiä luonnehditaan kiinteällä EC:llä ja tehonsäästöön ehdotetaan EC:n asymptoottista käyttäytymistä suurilla signaalikohinasuhteilla hyödyntävää. Erilaiset energiatehokkaan siirron mallit vaihtelevat aina täyden puskurin mallista malleihin, jotka pohjautuvat uudelleenlähetyksiin. Tutkittavalle metriikalle johdetaan suljetun muodon lausekkeita häipyvissä kanavissa tehon, virhetodennäköisyyden ja latenssin funktiona. Lisäksi jokaiselle mallille määritetään optimaalinen tehonjakostrategia EEE:n maksimoimiseksi.

Seuraavaksi esitetään opportunistinen taajuuksien jakamisjärjestelmä, joka soveltaa automaattista toistopyyntöä (ARQ) ja peräkkäistä häiriönpoistoa. Ehdotettu järjestelmä on parempi kuin avoimeen silmukkaan ja ei-opportunistisiin skenaarioihin perustuvat järjestelmät toissijaisen käyttäjän lähetystehon säästön ja ensisijaisen käyttäjän luotettavuuden kannalta. Uudelleenlähetysten yhteydessä havainnollistetaan myös nousevan siirtotien tehonsäästöalgoritmia varaamalla optimaalisesti aika- ja taajuusresurssit paketeille, joilla on heterogeeniset luotettavuusvaatimukset.

Äärimmäisen massiivisia pääsyjärjestelmi yhteydessä, oletuksena on, että IoT-laitteiden toimintaa voidaan mallintaa Markovin tapahtumina. Kehitämme tehokas liikenteen ennakointijärjestelmä, joka hyödyntää liikenteen korrelaatiota tapahtumien ja ajallisten ulottuvuuksien. Tämä mahdollistaa nopeat nousevan siirtotien lähetysjaksot. Ehdotetun järjestelmän suorituskyky ylittää sekä tavanomaisen satunnais- että aikajakoisen yhteyden osumatarkkuudessa ja järjestelmäkäytön tehokkuudessa. Samalla se on satunnaiskäyttöä parempi keskimääräisen tiedon iän suhteen.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-3046-7
ISBN Print: 978-952-62-3045-0
Issue: 800
Type of Publication: G4 Doctoral dissertation (monograph)
Field of Science: 213 Electronic, automation and communications engineering, electronics
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2021. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.