[論文レビュー] Cross-layer Transmission Design for Tactile Internet

Changyang She, Chenyang Yang+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 14被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、超低遅延および超高信頼性制約のもとで、基地局の送信電力を最小化するためのタクトイルインターネット向けクロスレイヤー伝送設計を提案する。この設計は、送信電力、パケット誤り確率、キューイング遅延違反確率、およびプロアクティブなパケット破棄を統合最適化することで、エンドツーエンド（E2E）遅延がチャネルコherence時間未満である状況においても効果を発揮する。主な貢献は、送信誤り、キューイング遅延違反、パケット破棄の3つの信頼性指標が同程度のオーダーにあり、システム設計において無視できないことを示したことである。

ABSTRACT

To ensure the low end-to-end (E2E) delay for tactile internet, short frame structures will be used in 5G systems. As such, transmission errors with finite blocklength channel codes should be considered to guarantee the high reliability requirement. In this paper, we study cross-layer transmission optimization for tactile internet, where both queueing delay and transmission delay are accounted for in the E2E delay, and different packet loss/error probabilities are considered to characterize the reliability. We show that the required transmit power becomes unbounded when the allowed maximal queueing delay is shorter than the channel coherence time. To satisfy quality-of-service requirement with finite transmit power, we introduce a proactive packet dropping mechanism, and optimize a queue state information and channel state information dependent transmission policy. Since the resource and policy for transmission and the packet dropping policy are related to the packet error probability, queueing delay violation probability, and packet dropping probability, we optimize the three probabilities and obtain the policies related to these probabilities. We start from single-user scenario and then extend our framework to the multi-user scenario. Simulation results show that the optimized three probabilities are in the same order of magnitude. Therefore, we have to take into account all these factors when we design systems for tactile internet applications.

研究の動機と目的

• エンドツーエンド（E2E）遅延がチャネルコherence時間未満である状況において、タクトイルインターネット応用における超低E2E遅延および超高信頼性の課題に対処すること。
• E2E遅延予算に、有限ブロック長符号化に起因する伝送遅延とバッファ制約に起因するキューイング遅延の両方を組み込むこと。
• 最大E2E遅延、パケット誤り確率、キューイング遅延違反確率を含む厳密なサービス品質（QoS）制約のもとで、基地局（BS）の必要送信電力を最小化すること。
• キューイング遅延制約が極めて厳しい場合に無限大に発散する送信電力を防ぐために、プロアクティブなパケット破棄メカニズムを導入し最適化すること。
• 単一ユーザーのクロスレイヤー最適化フレームワークを、ユーザー間の帯域幅割り当て最適化を含むマルチユーザー状況に拡張すること。

提案手法

• 送信電力、チャネル符号化誤り確率、キューイング遅延違反確率、パケット破棄確率を最適化することで、基地局（BS）の最大送信電力を同時に最小化するクロスレイヤー最適化問題を定式化する。
• 2段階最適化手法を用いる：まず、パケット破棄確率を固定したもとで、送信電力と誤り確率を最適化し、次に全体の送信電力を最小化するようにパケット破棄確率を最適化する。
• 有限ブロック長チャネルコードを用いてシステムをモデル化し、与えられた送信誤り確率に対する必要信号対雑音比（SNR）を、逆正規分布関数（Q関数の逆関数）に基づいて算出する。
• キューイング遅延制約を組み込むために、バッファ状態をモデル化し、キューイング遅延違反確率をバッファ状態に関連付けるために、キューイング遅延の補正累積分布関数の逆関数を用いる。
• 凸最適化技術を適用し、誤り確率および遅延確率における目的関数の厳密な凸性を証明することで、解の最適性を保証する。
• ユーザー間の帯域幅割り当てを導入することで、公平性と送信電力効率のトレードオフを最適化するマルチユーザー状況へのフレームワークの拡張を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チャネルコherence時間未満のキューイング遅延制約が、タクトイルインターネットシステムにおける必要送信電力に与える影響は何か？
• RQ2 キューイング遅延要件が極めて厳しい場合に、無限大に発散する送信電力を防ぐために、プロアクティブなパケット破棄はどのように利用できるか？
• RQ3 基地局の送信電力を最小化する観点で、送信誤り確率、キューイング遅延違反確率、およびパケット破棄確率の最適なトレードオフは何か？
• RQ4 送信誤り、キューイング遅延違反、パケット破棄の確率が同時に最適化された場合、それらの最適値のオーダーはどの程度か比較できるか？
• RQ5 帯域幅割り当てを含むユーザー間の最適化を組み込んだクロスレイヤー最適化フレームワークを、マルチユーザー状況にどのように拡張できるか？

主な発見

• 最大許容キューイング遅延がチャネルコherence時間未満である場合、必要な送信電力は無限大に発散するため、プロアクティブなパケット破棄メカニズムの導入が不可欠である。
• 送信誤り確率、キューイング遅延違反確率、パケット破棄確率の最適値は同程度のオーダーにあり、システム設計において3要因を同時に考慮する必要があることを示している。
• 1ユーザー、2ユーザー、4ユーザー、6ユーザーのシナリオにおいて、提案手法は全探索法と同等の送信電力を達成しており、近似的に最適であることを検証した。
• 40ユーザー、帯域幅を6 MHzから8 MHzに増加させた場合、必要な送信電力は35.7 Wから3.28 Wに低下し、帯域幅スケーリングの有効性を示した。
• 2段階最適化手法が最適であることが証明されており、任意の妥当な解よりも悪い解が得られないことを保証している。
• シミュレーション結果から、誤り、遅延違反、パケット破棄の3つの信頼性指標のいずれかを無視すると、非最適または非妥当な電力消費が生じることが確認された。