[論文レビュー] Uplink Transmission Design with Massive Machine Type Devices in Tactile Internet

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

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 17被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、タクトイルインターネットにおけるマス・マシンタイプ通信の上行リンク伝送設計を提案し、有限ブロック長チャネルコードと、各デバイスごとに複数のサブチャンネルを用いた周波数ダイバーシティを活用することで、超信頼性・超低遅延伝送を確保する。1セルあたり1,000デバイスの環境では、最適化された帯域幅割り当てにより許容可能なスペクトル効率が達成され、基地局のアンテナ数を増加させることで周波数ダイバーシティの必要性が低下し、総帯域幅要件が低減する。

ABSTRACT

In this work, we study how to design uplink transmission with massive machine type devices in tactile internet, where ultra-short delay and ultra-high reliability are required. To characterize the transmission reliability constraint, we employ a two-state transmission model based on the achievable rate with finite blocklength channel codes. If the channel gain exceeds a threshold, a short packet can be transmitted with a small error probability; otherwise there is a packet loss. To exploit frequency diversity, we assign multiple subchannels to each active device, from which the device selects a subchannel with channel gain exceeding the threshold for transmission. To show the total bandwidth required to ensure the reliability, we optimize the number of subchannels and bandwidth of each subchannel and the threshold for each device to minimize the total bandwidth of the system with a given number of antennas at the base station. Numerical results show that with 1000 devices in one cell, the required bandwidth of the optimized policy is acceptable even for prevalent cellular systems. Furthermore, we show that by increasing antennas at the BS, frequency diversity becomes unnecessary, and the required bandwidth is reduced.

研究の動機と目的

• タクトイルインターネットにおけるマス・マシンタイプ端末の超信頼性・超低遅延上行リンク伝送を確保する課題に対処すること。
• 短いブロック長制約下では有効でないシャノン容量とは異なり、有限ブロック長チャネルコードを用いて伝送信頼性をモデル化すること。
• 各デバイスのサブチャンネル数、サブチャンネルあたりの帯域幅、および伝送閾値を共同最適化することで、総システム帯域幅を最小化すること。
• 高密度マシンタイプ通信環境における帯域幅効率と信頼性に及ぼす空間的および周波数的ダイバーシティの影響を評価すること。

提案手法

• 有限ブロック長コードを用いた実現可能レートに基づく2状態伝送モデルを用い、チャネル利得が閾値を超える場合にのみ正常な伝送が発生することを信頼性のモデル化に用いる。
• アクティブな各デバイスに複数の独立したサブチャンネルを割り当て、チャネルプロービング後に閾値を超える利得を持つ最良のサブチャンネルを選択可能とする。
• 基地局（BS）アンテナ数が与えられた条件下で、サブチャンネル数、サブチャンネルあたりの帯域幅、および個々のデバイスの閾値を最適化し、総システム帯域幅を最小化する。
• 逆Q関数およびガンマ分布に基づいて、アウトージョン確率および閾値SINRの解析的表現を導出し、信頼性制約下での最適化を可能にする。
• 最適化目的関数の凸性および主要パラメータの単調性を証明し、収束性および解の妥当性を保証する。
• 数値結果を用いて、1,000台のデバイスが存在する状況では、必要な帯域幅が現在のセルラーシステムで実現可能であり、基地局アンテナ数の増加に伴い周波数ダイバーシティの必要性が低下することを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タクトイルインターネットにおけるマス・マシンタイプ端末を対象とした上行リンク伝送を、どのように設計すれば超信頼性および超短遅延要件を満たすことができるか？
• RQ2 有限ブロック長チャネルコードを用いる場合、所定の信頼性レベルを確保するために必要な最小総帯域幅は何か？
• RQ3 各デバイスごとに複数のサブチャンネルを用いた周波数ダイバーシティは、帯域幅効率および信頼性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 複数アンテナを備えた基地局による空間的ダイバーシティは、周波数ダイバーシティおよび帯域幅の必要性をどの程度低減できるか？
• RQ5 サブチャンネル数、サブチャンネルあたりの帯域幅、および各デバイスの伝送閾値の間で、最適なトレードオフは何か？

主な発見

• 1セルあたり1,000デバイスの環境では、最適化された上行リンク伝送ポリシーにおいて、必要な総帯域幅は現在のセルラーシステムで実現可能である。
• 基地局のアンテナ数を増加させることで、周波数ダイバーシティの必要性が低下する。空間的ダイバーシティのみで高い信頼性を達成できるからである。
• 基地局アンテナ数が増加するにつれて、必要な帯域幅は減少する。これは空間的ダイバーシティゲインの向上によるものである。
• 各デバイスが、閾値を超える最大のチャネル利得を持つサブチャンネルを選択することで、アウトージョン確率が最小化される。これは有限ブロック長レート式に基づいて導出される。
• 最適化問題は主要パラメータにおいて凸であるため、収束性が保証され、解析的導出により信頼性の高い解が得られる。
• 成功伝送の閾値SINRは、信頼性要件が高くなるほど増加し、サブチャンネル帯域幅が大きくなるほど低下する。これは逆Q関数との関係で示されている。