|
|
Latency and reliability aware radio resource allocation for multi-antenna systems |
|---|---|
| Author: | Kumar, Dileep1,2 |
| Organizations: |
1University of Oulu Graduate School 2University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering, Communications Engineering, CWC - Radio Technologies (CWC-RT) |
| Format: | ebook |
| Version: | published version |
| Access: | open |
| Online Access: | PDF Full Text (PDF, 2.7 MB) |
| Persistent link: | http://urn.fi/urn:isbn:9789526233420 |
| Language: | English |
| Published: |
Oulu : University of Oulu,
2022
|
| Publish Date: | 2022-06-09 |
| Thesis type: | Doctoral Dissertation |
| Defence Note: | Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Programme Committee of Information Technology and Electrical Engineering of the University of Oulu for public defence in the OP auditorium (L10), Linnanmaa, on 16 June 2022, at 12 noon |
| Tutor: |
Professor Antti Tölli |
| Reviewer: |
Professor Philippe Ciblat Professor Stefano Buzzi |
| Opponent: |
Associate Professor Taneli Riihonen |
| Description: |
AbstractMillimeter wave (mmWave) and sub-terahertz (sub-THz) communication systems rely mainly on the availability of dominant links between the transmitters and receivers. The sensitivity of high-frequency radio links to random blockages, however, challenges the achievable positioning, reliability, and latency requirements. Moreover, the provision of a sustainable and reliable energy source in mobile devices has to be addressed. We explore the viability of using Coordinated Multi-Point (CoMP) schemes, which facilitate multi-user processing across spatially distributed remote radio units (RRUs), to ensure accurate positioning and latency-constrained reliable mmWave communication, even if one or more dominant links are blocked. We design a blockage-aware algorithm for the weighted sum-rate maximization problem in mmWave based system. A robust downlink beamformer design, with the parallel beamformer processing across distributed RRUs, is proposed by exploiting the spatial macro-diversity and a pessimistic estimate of rates over potential link blockage combinations. This problem is extended by considering the user-specific latency requirements in a dynamic access network for the sum-power minimization objective. The time-average stochastic problem is transformed into a sequence of deterministic and independent subproblems using the Lyapunov optimization, and a dynamic control algorithm is then proposed, which enables an efficient implementation of low-complexity closed-form iterative beamformer design. Furthermore, by exploiting the queue backlogs and channel information, we propose a proactive and dynamic selection of the serving set combinations of CoMP RRUs. In the simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) systems, we consider the interdependence of latency-battery queue dynamics, and propose the joint beamforming and power splitting optimization to minimize the sum-power of the transmitter under user-specific latency and energy harvesting requirements. The battery depletion phenomenon is avoided by preemptively incorporating information regarding the receivers’ battery state and energy harvesting fluctuations into the resource allocation designs. Finally, for the cellular-based localization, we propose a robust uplink CoMP receive beamforming strategy to combat the unavailability of dominant links. Furthermore, we derive the Cramér-Rao Lower Bound, which is subsequently solved to obtain the bound on positioning accuracy, and provide a synergy between accurate positioning and highly-reliable mmWave communication. see all
TiivistelmäMillimetriaaltojen (mmWave) ja ali-terahertzin (sub-THz) tiedonsiirto pohjautuu pääasiallisesti lähettimien ja vastaanottimien välisiin dominantteihin linkkeihin. Tästä johtuen korkeataajuuksisten radiolinkkien herkkyys satunnaisille esteille tekee paikannuksen, luotettavuuden ja latenssin mahdolliset vaatimukset haastaviksi. Tämän lisäksi mobiililaitteiden kestävä ja luotettava energiansaanti täytyy ottaa huomioon. Työssä tutkitaan koordinoitujen monipistelähetysmenetelmiä (CoMP), mitkä mahdollistavat monen käyttäjän prosessoinnin tilatasossa hajautuneiden etäradioyksiköiden (RRU) yli. Tämä varmistaa tarkan paikannuksen ja latenssirajotteisen luotettavan mmWave-tiedonsiirron, vaikka yksi tai useampi dominanteista linkeistä olisi katveessa. Työssä suunnitellaan esteet huomioivan algoritmin painotetun summatiedonsiirtonopeuden maksimointiin mmWave-tiedonsiirtoon perustuen monen yhden antennin käyttäjän. Työssä tutkitaan robustia alalinkin rinnakkaista keilanmuodostusta, joka prosessoidaan hajautuneiden etäradioyksikköjen yli, ja joka hyväksikäyttää tilatason makrodiversiteettiä ja pessimististä ennustetta tiedonsiirtonopeudelle mahdollisten katveisten linkkien suhteen. Lisäksi otetaan huomioon käyttäjäkohtaiset latenssivaatimukset dynaamisessa liityntäverkossa, tavoitteena summatehon minimointi. Tämä stokastinen aikakeskiarvojen ongelma muunnetaan peräkkäisiksi aliongelmiksi, jotka ovat deterministisiä ja toisistaan riippumattomia, käyttäen Lyapunov-optimointia. Työssä kehitetään dynaaminen ohjausalgoritmi, joka mahdollistaa matalan kompleksisuuden suljetun muodon iteratiivisen keilanmuodostusratkaisun tehokkaan toteutuksen. Tämän lisäksi, hyväksikäyttämällä datajonojen ruuhkautumista ja kanavatietoa, toteutetaan CoMP-RRU:n palvelujoukon proaktiivinen ja dynaaminen valikointi. Latenssin ja akun keskinäisriippuvuuteen liittyvää jonodynamiikkaa tutkitaan yhtäaikainen informaation ja tehonlähetys (SWIPT) järjestelmissä, tavoitteena tehdä yhteiskeilanmuodostus- ja tehonjako- optimointia, joka pyrkii minimoimaan lähettimen summatehokulutuksen. Akun tyhjenemisilmiö vältetään ottamalla etukäteen huomioon vastaanottimen akun tilan ja EH:n vaihtelut resurssiallokaatiosuunnittelussa. Lopuksi tutkitaan robustia ylälinkin CoMP vastaanottokeilanmuodostussuunnittelua solurakenteisiin pohjautuvaan paikannukseen. Työssä johdetaan myös Cramér-Rao -alaraja, mitä vuorostaan käytetään johtamaan rajat paikannuksen tarkkuudelle, ja siten antaa synergiaetua tarkan paikannuksen ja erittäin luotettavan mmWave-tiedonsiirron välille. see all
|
| Series: |
Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica |
| ISSN: | 0355-3213 |
| ISSN-E: | 1796-2226 |
| ISSN-L: | 0355-3213 |
| ISBN: | 978-952-62-3342-0 |
| ISBN Print: | 978-952-62-3341-3 |
| Issue: | 831 |
| Type of Publication: |
G4 Doctoral dissertation (monograph) |
| Field of Science: |
213 Electronic, automation and communications engineering, electronics |
| Subjects: | |
| Funding: |
This work was supported in part by the European Commission in the framework of the H2020-EUJ-02-2018 project under grant no. 815056 (5G-Enhance) and in part by Academy of Finland under grants no. 313041 (PRISMA: Positioning-aided Reliablyconnected Industrial Systems with Mobile mmWave Access), and 346208 (6Genesis Flagship). In addition, the work was supported in part by the Nokia Foundation Scholarship, by the Riitta ja Jorma J. Takanen Foundation, by the Finnish Foundation for Technology Promotion, as well as by the Tauno Tönningin Säätiön Foundation. |
| EU Grant Number: |
(815056) 5G-Enhance - 5G Enhanced Mobile Broadband Access Networks in Crowded Environments |
| Academy of Finland Grant Number: |
313041 346208 |
| Detailed Information: |
313041 (Academy of Finland Funding decision) 346208 (Academy of Finland Funding decision) |
| Copyright information: |
© University of Oulu, 2022. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited. |