[논문 리뷰] Cross-layer Transmission Design for Tactile Internet

Changyang She, Chenyang Yang외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 10.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 14인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 초저지연 및 초고신뢰성 조건 하에서 터치 인터넷을 위한 크로스 레이어 전송 설계를 제안하며, 전송 전력, 패킷 오류 확률, 대기열 지연 위반 확률, 그리고 능동적 패킷 버림을 종합적으로 최적화하여 기지국의 전송 전력을 최소화한다. 주요 기여는 세 가지 신뢰성 지표—전송 오류, 대기열 지연 위반, 패킷 버림—이 모두 같은 주기수의 크기를 가지므로, 설계 시 어느 하나도 무시할 수 없음을 보여주는 데 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 터치 인터넷 응용에서 종단 간(End-to-End, E2E) 지연이 매우 낮고 채널의 일관성 시간보다 짧을 때 발생하는 초저지연 및 초고신뢰성 도전 과제를 해결하기 위해.
• 유한 블록길이 코딩에 기인한 전송 지연과 버퍼 제약 조건에 기인한 대기열 지연을 종단 간 지연 예산에 통합적으로 고려하기 위해.
• 최대 종단 간 지연, 패킷 오류 확률, 대기열 지연 위반 확률 등 엄격한 서비스 품질(Quality-of-Service, QoS) 제약 조건 하에서 기지국(BS)이 요구하는 전송 전력을 최소화하기 위해.
• 대기열 지연 제약 조건이 너무 엄격할 경우 무한대가 되는 전송 전력을 방지하기 위해 능동적 패킷 버림 메커니즘을 도입하고 최적화하기 위해.
• 단일 사용자 크로스 레이어 최적화 프레임워크를 다중 사용자 시나리오로 확장하여 사용자 간 대역폭 할당 최적화를 통합하기 위해.

제안 방법

• 기지국(BS)의 최대 전송 전력을 동시에 최소화하기 위해 전송 전력, 채널 코딩 오류 확률, 대기열 지연 위반 확률, 패킷 버림 확률을 최적화하는 크로스 레이어 최적화 문제를 수립한다.
• 이중 단계 최적화 방법을 사용한다: 첫 번째로, 패킷 버림 확률를 고정하고 전송 전력과 오류 확률을 최적화하며, 두 번째로 전체 전송 전력을 최소화하기 위해 패킷 버림 확률를 최적화한다.
• 유한 블록길이 채널 코드를 사용하여 시스템을 모델링하고, 주어진 전송 오류 확률에 대응하는 필요 신호 대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio, SNR)를 역 가우시안 Q-함수 기반으로 결정한다.
• 대기열 지연 제약 조건을 통합하기 위해 버퍼 점유도를 모델링하고, 대기열 지연 위반 확률을 버퍼 상태와 연결하기 위해 대기열 지연의 여사건 누적분포함수의 역함수를 사용한다.
• 볼록 최적화 기법을 적용하여 오류 및 지연 확률에서 목적 함수의 엄격한 볼록성을 증명함으로써 해의 최적성을 보장한다.
• 다중 사용자 시나리오로 프레임워크를 확장하기 위해 사용자 간 대역폭 할당을 도입하고, 공정성과 전송 전력 효율성 간의 트레이드오프를 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 채널 일관성 시간보다 짧은 대기열 지연 제약 조건이 터치 인터넷 시스템에서 요구하는 전송 전력에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 대기열 지연 요구사항이 너무 엄격할 경우 전송 전력이 무한대가 되는 것을 방지하기 위해 능동적 패킷 버림은 어떻게 활용될 수 있는가?
• RQ3 기지국 전송 전력을 최소화하기 위해 전송 오류 확률, 대기열 지연 위반 확률, 패킷 버림 확률 간 최적의 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ4 세 가지 지표를 종합적으로 최적화할 경우 전송 오류, 대기열 지연 위반, 패킷 버림 확률의 최적 값은 크기 순서에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 대역폭 할당을 통한 사용자 간 자원 할당을 고려한 다중 사용자 시나리오로 크로스 레이어 최적화 프레임워크를 어떻게 확장할 수 있는가?

주요 결과

• 최대 허용 대기열 지연 시간이 채널 일관성 시간보다 짧아지면 전송 전력이 무한대가 되며, 이에 따라 능동적 패킷 버림 메커니즘이 필수적이다.
• 최적의 전송 오류 확률, 대기열 지연 위반 확률, 패킷 버림 확률 값들이 모두 같은 주기수의 크기를 가지므로, 설계 시 세 가지 요소를 종합적으로 고려해야 함을 시사한다.
• 2명, 4명, 6명의 사용자에 대한 단일 사용자 시나리오에서 제안된 알고리즘이 완전 탐색과 동일한 전송 전력을 달성하여 근사 최적성의 타당성을 검증하였다.
• 40명의 사용자와 대역폭을 6 MHz에서 8 MHz로 증가시킬 경우, 요구되는 전송 전력은 35.7 W에서 3.28 W로 감소하여 대역폭 스케일링의 효과를 입증하였다.
• 이중 단계 최적화 방법이 최적임을 증명하였으며, 임의의 타당한 해보다 열악한 해를 보장하지 않는다.
• 시뮬레이션 결과, 세 가지 신뢰성 지표(오류, 지연 위반, 패킷 버림) 중 어느 하나라도 忽시할 경우 전력 소비가 비최적 또는 비가능한 결과가 된다.