[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一种触觉互联网的跨层传输设计方案，通过联合优化发射功率、分组误码概率、队列延迟违规概率以及主动分组丢弃机制，在超低端到端延迟和超高可靠性约束下最小化基站发射功率。关键贡献在于表明，传输误码、队列延迟违规和分组丢弃这三项可靠性指标必须联合优化，因为它们处于同一数量级，因此在系统设计中均不可忽略。

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.

研究动机与目标

• 为解决触觉互联网应用中超低端到端（E2E）延迟和超高可靠性的挑战，特别是当E2E延迟短于信道相干时间时。
• 在E2E延迟预算中同时考虑传输延迟（由有限块长编码引起）和队列延迟（由缓冲区约束引起）。
• 在严格的QoS约束下最小化基站（BS）所需的发射功率，包括最大E2E延迟、分组误码概率和队列延迟违规概率。
• 引入并优化一种主动分组丢弃机制，以防止在队列延迟约束过于严格时发射功率无界增长。
• 将单用户跨层优化框架扩展至多用户场景，并优化用户之间的带宽分配。

提出的方法

• 建立一个跨层优化问题，通过联合优化发射功率、信道编码误码概率、队列延迟违规概率和分组丢弃概率，以最小化基站（BS）的最大发射功率。
• 采用两步优化方法：首先，固定分组丢弃概率，优化发射功率和误码概率；其次，优化分组丢弃概率以最小化总体发射功率。
• 使用有限块长信道编码模型，基于反向正态Q函数，确定给定误码概率下所需的信噪比（SNR）。
• 通过建模缓冲区占用情况，并利用队列延迟的互补累积分布函数的反函数，将延迟违规概率与缓冲区状态关联，从而引入队列延迟约束。
• 应用凸优化技术，证明目标函数在误码率和延迟概率上的严格凸性，确保解的最优性。
• 通过引入用户间的带宽分配，将框架扩展至多用户场景，优化公平性与发射功率效率之间的权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 当队列延迟约束短于信道相干时间时，对触觉互联网系统中所需发射功率有何影响？
• RQ2 如何利用主动分组丢弃机制防止在队列延迟要求过于严格时发射功率无界增长？
• RQ3 在最小化基站发射功率的前提下，传输误码概率、队列延迟违规概率与分组丢弃概率之间的最优权衡是什么？
• RQ4 当三者联合优化时，传输误码、队列延迟违规和分组丢弃概率的最优值在数量级上如何比较？
• RQ5 如何将跨层优化框架扩展至具有用户间带宽分配的多用户场景？

主要发现

• 当最大允许队列延迟短于信道相干时间时，所需发射功率会变得无界，因此必须引入主动分组丢弃机制。
• 最优的传输误码概率、队列延迟违规概率和分组丢弃概率处于同一数量级，表明在系统设计中必须同时考虑这三项因素。
• 在单用户场景下，用户数为2、4和6时，所提算法的发射功率与穷举搜索结果一致，验证了其近似最优性。
• 在40个用户且带宽从6 MHz增加到8 MHz时，所需发射功率从35.7 W降至3.28 W，证明了带宽扩展的有效性。
• 两步优化方法被证明是最优的，因为它保证解不会劣于任意可行解。
• 仿真结果证实，忽略任意一项可靠性指标（误码、延迟违规或分组丢弃）都会导致次优或不可行的功耗。