[论文解读] Analysis of Wireless Communications with Finite Blocklength and Imperfect Channel Knowledge.

Sebastian Schiessl, Hussein Al-Zubaidy+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 14被引用 3

一句话总结

本文提出了一种在有限块长和非完美信道状态信息（CSI）条件下无线系统中传输误码概率的闭式近似，实现了准确的速率自适应。该模型表明，在严格时延约束下，联合优化训练序列长度和码率可显著提高系统可靠性，即使存在训练开销，其性能仍优于固定码率系统。

ABSTRACT

With the rise of critical machine-to-machine (M2M) applications, next generation wireless communication systems must be designed with strict constraints on the latency and the reliability. A key enabler for designing low-latency systems is the availability of accurate and tractable analytic models. Unfortunately, many performance models do not account for the effects of channel coding at finite blocklength and imperfect channel state information (CSI) due to time-limited channel training. These models are therefore inaccurate for low-latency systems. In this work, we derive a closed-form approximation for the transmission error probability while considering both of these effects. The approximation provides an inverse mapping from the error probability to the achievable rate. Using this approximation, we analyze the queuing delay of the system through stochastic network calculus. Our results show that even though systems with rate adaptation must spend resources on channel training, these systems perform better than systems operating at fixed rate. The enhancement becomes even greater under stricter delay constraints. Moreover, we find that adapting both the training sequence length and the code rate to the delay constraints is crucial for achieving high reliability.

研究动机与目标

• 解决由于有限块长和非完美信道状态信息（CSI）导致的低时延无线系统缺乏准确分析模型的问题。
• 开发一种可处理有限块长和CSI估计误差的、可计算的闭式近似，用于传输误码概率。
• 在现实系统约束下，利用随机网络微积分实现队列延迟的性能分析。
• 研究在速率自适应传输方案中，训练开销与系统可靠性的权衡关系。
• 在严格时延要求下，确定训练序列长度和码率的最优自适应策略。

提出的方法

• 从有限时长的信道训练出发，推导出具有有限块长和非完美CSI的无线系统中误码概率的闭式近似。
• 利用该误码概率近似，建立从误码率到可实现频谱效率（速率）的逆映射。
• 应用随机网络微积分，分析在所推导的速率自适应模型下系统的队列延迟性能。
• 将速率自适应建模为信道质量与时延约束的函数，结合动态训练序列长度和码率选择。
• 在不同CSI精度和块长条件下评估系统性能，比较固定码率与自适应码率传输方案。
• 优化训练序列长度与码率的联合设计，以在时延约束下最小化误码概率。

实验结果

研究问题

• RQ1 有限训练导致的非完美信道状态信息如何影响有限块长无线系统中的误码概率？
• RQ2 在考虑有限块长和CSI估计误差的情况下，速率自适应对系统可靠性和队列延迟有何影响？
• RQ3 在严格时延约束下，自适应码率系统的性能与固定码率系统相比如何？
• RQ4 在低时延无线系统中，训练开销与频谱效率之间的最优权衡是什么？
• RQ5 在严格时延要求下，联合优化训练序列长度与码率如何影响系统可靠性？

主要发现

• 尽管存在信道训练的资源开销，具备速率自适应的系统仍优于固定码率系统，尤其在严格时延约束下表现更优。
• 误码概率近似使得通过随机网络微积分对低时延无线系统进行准确性能评估成为可能。
• 同时自适应训练序列长度和码率对于在低时延应用中实现高可靠性至关重要。
• 随着时延约束的收紧，速率自适应带来的性能增益越大，凸显了动态自适应的重要性。
• 即使在非完美CSI条件下，所提出的模型仍为设计下一代机器对机器（M2M）通信系统提供了可靠框架。
• 闭式误码概率近似支持高效地反向映射到可实现速率，从而支持实际系统设计。