Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Delay Performance of the Multiuser MISO Downlink Under Imperfect CSI and Finite-Length Coding
KTH, School of Electrical Engineering and Computer Science (EECS), Information Science and Engineering.ORCID iD: 0000-0002-3595-2787
KTH, School of Electrical Engineering and Computer Science (EECS), Information Science and Engineering.ORCID iD: 0000-0001-6682-6559
KTH, School of Electrical Engineering and Computer Science (EECS), Information Science and Engineering.ORCID iD: 0000-0002-7926-5081
2019 (English)In: IEEE Journal on Selected Areas in Communications, ISSN 0733-8716, E-ISSN 1558-0008, Vol. 37, no 4, p. 765-779Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

We use stochastic network calculus to investigate the delay performance of a multiuser MISO system with zero-forcing beamforming. First, we consider ideal assumptions with long codewords and perfect CSI at the transmitter, where we observe a strong channel hardening effect that results in very high reliability with respect to the maximum delay of the application. We then study the system under more realistic assumptions with imperfect CSI and finite blocklength channel coding. These effects lead to interference and to transmission errors, and we derive closed-form approximations for the resulting error probability. Compared to the ideal case, imperfect CSI and finite length coding cause massive degradations in the average transmission rate. Surprisingly, the system nevertheless maintains the same qualitative behavior as in the ideal case: as long as the average transmission rate is higher than the arrival rate, the system can still achieve very high reliability with respect to the maximum delay.

Place, publisher, year, edition, pages
IEEE, 2019. Vol. 37, no 4, p. 765-779
Keywords [en]
Multiple-input multiple-output (MIMO), multiuser diversity, zero-forcing beamforming (ZFBF), stochastic network calculus, imperfect CSI, finite blocklength regime
National Category
Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering Telecommunications
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-248322DOI: 10.1109/JSAC.2019.2898759ISI: 000461853500006Scopus ID: 2-s2.0-85063288812OAI: oai:DiVA.org:kth-248322DiVA, id: diva2:1303367
Note

QC 20190409

Available from: 2019-04-09 Created: 2019-04-09 Last updated: 2019-05-17Bibliographically approved
In thesis
1. Performance Trade-offs for Ultra-Reliable Low-Latency Communication Systems
Open this publication in new window or tab >>Performance Trade-offs for Ultra-Reliable Low-Latency Communication Systems
2019 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

In this dissertation, we consider wireless systems for ultra-reliable low-latency communication (URLLC). URLLC systems are required for example in industrial closed loop control systems, where data must be transmitted within a short target delay of at most a few milliseconds. Violations of this deadline could result in costly failures, and should therefore occur only with very low probability, with target violation probabilities of 10-8 and below.This presents a number of novel challenges from a research perspective. First of all, the wireless channel is changing over time due to fading. When the system cannot exploit diversity to mitigate the effects of fading in each transmission attempt, then the transmitter may need to adapt the rate of the channel code to the current channel state in order to reduce the probability of transmission errors. However, time-varying data rates and transmission errors lead to a random queueing delay of the data, which may exceed the maximum delay that is tolerated by the application. In order to ensure that violations of the deadline occur only with very small probability, the evaluation of the system performance must therefore take this queueing delay into account. Second, many traditional performance models for the physical layer of wireless communication systems do not hold when the communication latency is short. For example, many previous works in wireless communications assume that by using channel coding, one can achieve error-free communication at the channel capacity. This model is no longer accurate when the blocklength of the channel code is very short, as it is the case in URLLC systems. Another assumption that becomes invalid at very short latency is that the transmitter can perfectly estimate the current state of the channel. With only few resources available for channel estimation, it will not be possible to obtain accurate channel state information (CSI). Thus, the transmitter cannot perfectly adapt the coding rate to the current channel state, which will result in transmission errors. In this dissertation, we apply stochastic network calculus to analyze the queueing delay of the system, while using realistic models of the physical layer transmissions that take imperfect CSI and finite blocklength effects into account. We then investigate three different types of systems. First, we consider a single-antenna system and consider the effects of channel coding at finite blocklength, as well as imperfect CSI. One of the main challenges in this context is that no closed-form expression for the joint decoding error probability due to channel coding at finite blocklength and due to imperfect CSI exists, so that higher-layer performance analysis remains infeasible. We solve this challenge by combining recent results from information theory on finite-length coding with an approximation for the estimation uncertainty due to imperfect CSI, which allows us to derive a closed-form approximation for the resulting joint decoding error probability. This expression can then be used to find the optimal rate adaptation scheme with respect to the delay performance, i.e., the optimal trade-off between the selected coding rate and the resulting error probability. We use these results also to determine the optimal training sequence length, i.e., the optimal trade-off between the time spent on channel estimation and the time remaining for the actual data transmission. Second, we consider downlink transmissions in a multi-antenna systems with multiple users. Specifically, we consider MISO (multiple-input single-output) systems, which means that a transmitter with multiple antennas can transmit data to several users that have a single antenna each. If the transmitter has perfect CSI, it can apply beamforming and send data simultaneously to multiple users, without the signal sent towards one receiver creating any interference at the other receivers. However, with imperfect CSI, the beamforming is imperfect, resulting in substantial interference between the signals for the different users, which can again lead to decoding errors. We derive closed-form approximations for the error probability due to this interference, and apply our previous results to take also the finite blocklength effects into account. Interestingly, although we observe a substantial quantitative performance loss due to imperfect CSI, the qualitative behavior and the optimal number of simultaneously scheduled users remains very similar.Third, we consider a system that uses non-orthogonal multiple access (NOMA) in the uplink. In the NOMA uplink, two devices may access the channel at the same time, mutually interfering with each other. Fortunately, the interference of one of the users can be mitigated by applying successive interference cancellation (SIC). However, when the chosen transmission rates are selected based on imperfect CSI, the decoding of one or both users can fail. We provide closed-form approximations for the decoding error probabilities for both SIC and a more general joint decoding scheme. Furthermore, we also take the effects of finite blocklength coding into account. The error probability for each user depends on the rates chosen for both users, and we determine the optimal trade-off between both rates such that the delay performance of both users is optimized. Nevertheless, we find that in delay-limited systems with realistic system assumptions, NOMA may result in lower performance than orthogonal access, even with optimized system parameters.

Abstract [sv]

I den här avhandlingen betraktar vi trådlösa system för ultra-pålitlig låg-latens kommunikation (``ultra-reliable low-latency communication'', URLLC). URLLC-system erfordras exempelvis i industriella slutna reglersystem, där data måste överföras med en fördröjning av högst några millisekunder. Överträdelse av denna tidsfrist kan leda till kostsamma fel och bör därför endast ske med mycket låg sannolikhet -- t.ex. högst 10-8. Detta presenterar ett antal nya utmaningar ur forskningsperspektiv. Först och främst ändras den trådlösa kanalen över tiden på grund av ``fading''. När systemet inte kan utnyttja mångfald för att mildra effekterna av fading vid varje överföringsförsök, kan sändaren behöva anpassa kanalkodens grad till det nuvarande kanaltillståndet för att minska sannolikheten för överföringsfel. Tidsberoende datahastigheter och överföringsfel leder emellertid till en slumpmässig köningsfördröjning av data, vilket kan överskrida den maximala fördröjningen som tolereras av applikationen. För att säkerställa att överträdelser av tidsfristen endast sker med mycket liten sannolikhet, måste utvärderingen av systemprestandan därför ta hänsyn till denna köningsfördröjning. För det andra är många traditionella prestandamodeller för det fysiska lagret av trådlösa kommunikationssystem inte giltiga när kommunikationsfördröjningen är kort. Till exempel antar många tidigare verk i trådlös kommunikation att felfri kommunikation vid kanalkapaciteten kan uppnås med hjälp av kanalkodning. Denna modell är inte längre giltig när blocklängden för kanalkoden är mycket kort, vilket är fallet i URLLC-system. Ett annat antagande som blir ogiltigt vid mycket korta latenser är att sändaren kan mäta kanalens nuvarande tillstånd på perfekt vis. Med endast få resurser tillgängliga för kanaluppskattning är det inte möjligt att få exakt kanalinformation (``channel state information'', CSI). Sändaren kan sålunda inte perfekt anpassa kodningsgraden till det nuvarande kanaltillståndet, vilket resulterar i överföringsfel. I den här avhandlingen tillämpar vi stokastisk nätverkskalkyl för att analysera systemets köningsfördröjning med realistiska modeller av dataöverföring på det fysiska lagret som tar hänsyn till ofullkomlig CSI och effekterna av ändliga blocklängder. Vi undersöker sedan tre olika typer av system.Först betraktar vi ett enkelantennsystem och överväger effekterna av kanalkodning vid ändlig blocklängd, såväl som ofullkomlig CSI. En av huvudutmaningarna i detta sammanhang är att inget uttryck med sluten form finns för den gemensamma avkodningsfelsannolikheten på grund av kanalkodning vid ändlig blocklängd och ofullkomlig CSI, så prestationsanalys på högre lager är fortfarande omöjligt. Vi löser denna utmaning genom att kombinera en aktuell resultat från informationsteori om kodning med ändlig längd med en approximation för estimeringsosäkerheten på grund av ofullkomlig CSI, vilket tillåter oss att härleda en approximation med sluten form för den resulterande gemensamma avkodningsfelssannolikheten. Detta uttryck kan sedan användas för att hitta det optimala kodningsgradanpassningsschemat med avseende på fördröjningsprestandan, dvs den optimala avvägningen mellan den valda kodningsgraden och den resulterande felsannolikheten. Vi använder även dessa resultat för att bestämma den optimala träningssekvenslängden, dvs den optimala avvägningen mellan tiden som spenderas vid kanaluppskattning och tiden som återstår för den faktiska dataöverföringen. För det andra anser vi nedlänkstransmissioner i ett flerantennsystem med flera användare.Specifikt betraktar vi MISO-system (``multiple-input single-output'', dvs flera ingångssignaler och en enda utgångssignal), vilket innebär att en sändare med flera antenner kan överföra data till flera användare som var och en har en enda antenn. Om sändaren har perfekt CSI kan strålformning appliceras och data kan skickas samtidigt till flera användare, utan att signalen som skickas mot en mottagare skapar störningar hos andra. Men med ofullkomlig CSI är strålformningen också ofullkomlig, vilket medför stor interferens mellan signalerna för de olika användarna, vilket igen kan leda till avkodningsfel. Vi erhåller approximationer med sluten form för felsannolikheten på grund av denna interferens, och tillämpar våra tidigare resultat för att även ta hänsyn till effekterna på grund av ändliga blocklängder. Intressant är att det kvalitativa beteendet och det optimala antalet samtidiga planerade användare förblir mycket snarlika, även om vi observerar en väsentlig kvantitativ prestandaförlust på grund av ofullkomlig CSI. För det tredje betraktar vi ett system med ``non-othogonal multiple-access'' (NOMA) i upplänken. I NOMA-upplänken kan två enheter komma åt kanalen samtidigt, vilket skapar ömsesidig interferens. Lyckligtvis kan interferensen av en av användarna mildras genom att tillämpa successiv interferensavskrivning (``successive interference cancellation'', SIC). Men när de valda kodningsgraderna för sändning väljs utifrån ofullkomlig CSI, kan avkodningen för en eller båda användare misslyckas. Vi försörjer approximationer med sluten form för avkodningsfelssannolikheter för både SIC och ett mer generellt gemensamt avkodningsschema. Vidare tar vi också hänsyn till effekterna av kodning med ändliga blocklängder. Felsannolikheten för varje användare beror på de kodningsgrader som valts för båda användarna, och vi bestämmer den optimala avvägningen mellan båda graderna så att båda användarnas fördröjningsprestanda optimeras. Ändå finner vi att NOMA i fördröjningsbegränsade system med realistiska systemantaganden kan resultera i lägre prestanda än ortogonal åtkomst, även med optimerade systemparametrar.

Place, publisher, year, edition, pages
KTH Royal Institute of Technology, 2019. p. iii-xi, 70
Series
TRITA-EECS-AVL ; 2019:50
National Category
Communication Systems Telecommunications
Research subject
Electrical Engineering
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-251650 (URN)978-91-7873-211-1 (ISBN)
Public defence
2019-06-14, F3, Lindstedtsvägen 26, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 20190520

Available from: 2019-05-20 Created: 2019-05-17 Last updated: 2019-05-21Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Other links

Publisher's full textScopus

Authority records BETA

Schiessl, SebastianGross, JamesSkoglund, Mikael

Search in DiVA

By author/editor
Schiessl, SebastianGross, JamesSkoglund, Mikael
By organisation
Information Science and Engineering
In the same journal
IEEE Journal on Selected Areas in Communications
Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information EngineeringTelecommunications

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 33 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf