[论文解读] 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 4

一句话总结

本论文提出了一种针对触觉互联网中大规模机器类型通信的上行链路传输设计方案，采用有限块长信道编码和每个设备多子信道的频率分集，以确保超可靠、超低时延的传输。在每小区1,000个设备的情况下，通过优化带宽分配可实现可接受的频谱效率，且增加基站天线数量可降低对频率分集的需求，从而减少总带宽需求。

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.

研究动机与目标

• 为解决在触觉互联网中确保大规模机器类型设备上行链路超可靠、超低时延传输的挑战。
• 使用有限块长信道编码建模传输可靠性，而非使用在短块长约束下不适用的香农容量。
• 通过联合优化每个设备的子信道数量、每个子信道的带宽以及每个设备的传输阈值，最小化总系统带宽。
• 评估空间分集和频率分集在高密度机器类型通信场景下对带宽效率和可靠性的影响。

提出的方法

• 基于有限块长编码的可达速率构建两状态传输模型以建模可靠性，仅当信道增益超过阈值时才发生成功传输。
• 为每个活跃设备分配多个独立子信道，使其在信道探测后可选择增益高于阈值的最佳子信道。
• 通过优化子信道数量、每个子信道的带宽以及每个设备的阈值，以在给定基站（BS）天线数量下最小化总系统带宽。
• 基于乘法逆Q函数和伽马分布，推导出中断概率和阈值信噪比的解析表达式，从而在可靠性约束下实现优化。
• 证明了优化目标在关键参数上的凸性以及关键参数的单调性，以确保解的收敛性和有效性。
• 通过数值结果验证：在1,000个设备的情况下，所需带宽在当前蜂窝系统中仍具可行性，且基站天线数量增加可降低对频率分集的需求。

实验结果

研究问题

• RQ1 在触觉互联网中，如何设计上行链路传输以满足大规模机器类型设备的超可靠性和超短时延要求？
• RQ2 在使用有限块长信道编码时，为确保给定可靠性水平，所需的最小总带宽是多少？
• RQ3 通过每个设备使用多个子信道实现的频率分集如何影响带宽效率和可靠性？
• RQ4 多天线基站提供的空间分集在多大程度上可减少对频率分集和带宽的需求？
• RQ5 子信道数量、每个子信道的带宽以及每个设备的传输阈值之间应如何实现最优权衡？

主要发现

• 在每小区1,000个设备的情况下，优化后的上行链路传输策略所需的总带宽在当前蜂窝系统中仍可接受。
• 增加基站天线数量可降低对频率分集的需求，因为仅靠空间分集即可实现高可靠性。
• 随着基站天线数量的增加，所需带宽减少，这是由于空间分集增益得到改善。
• 当每个设备选择增益高于阈值的子信道中最大者时，中断概率最小化，该阈值由有限块长速率表达式推导得出。
• 优化问题在关键参数上为凸函数，确保可通过解析推导实现收敛和可靠解。
• 成功传输的阈值信噪比随可靠性要求的提高而增加，随子信道带宽的增大而减小，该关系由逆Q函数描述。