Latency and reliability aware radio resource allocation for multi-antenna systems

Abstract

<div lang="en" class="abs"><p class="abs_header">Abstract</p><p>Millimeter wave (mmWave) and sub-terahertz (sub-THz) communication systems rely mainly on the availability of dominant links between the transmitters and receivers. The sensitivity of high-frequency radio links to random blockages, however, challenges the achievable positioning, reliability, and latency requirements. Moreover, the provision of a sustainable and reliable energy source in mobile devices has to be addressed.</p><p>We explore the viability of using Coordinated Multi-Point (CoMP) schemes, which facilitate multi-user processing across spatially distributed remote radio units (RRUs), to ensure accurate positioning and latency-constrained reliable mmWave communication, even if one or more dominant links are blocked. We design a blockage-aware algorithm for the weighted sum-rate maximization problem in mmWave based system. A robust downlink beamformer design, with the parallel beamformer processing across distributed RRUs, is proposed by exploiting the spatial macro-diversity and a pessimistic estimate of rates over potential link blockage combinations. This problem is extended by considering the user-specific latency requirements in a dynamic access network for the sum-power minimization objective. The time-average stochastic problem is transformed into a sequence of deterministic and independent subproblems using the Lyapunov optimization, and a dynamic control algorithm is then proposed, which enables an efficient implementation of low-complexity closed-form iterative beamformer design. Furthermore, by exploiting the queue backlogs and channel information, we propose a proactive and dynamic selection of the serving set combinations of CoMP RRUs.</p><p>In the simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) systems, we consider the interdependence of latency-battery queue dynamics, and propose the joint beamforming and power splitting optimization to minimize the sum-power of the transmitter under user-specific latency and energy harvesting requirements. The battery depletion phenomenon is avoided by preemptively incorporating information regarding the receivers’ battery state and energy harvesting fluctuations into the resource allocation designs. Finally, for the cellular-based localization, we propose a robust uplink CoMP receive beamforming strategy to combat the unavailability of dominant links. Furthermore, we derive the Cramér-Rao Lower Bound, which is subsequently solved to obtain the bound on positioning accuracy, and provide a synergy between accurate positioning and highly-reliable mmWave communication.</p></div>

<div lang="fi" class="abs"><p class="abs_header">Tiivistelmä</p><p>Millimetriaaltojen (mmWave) ja ali-terahertzin (sub-THz) tiedonsiirto pohjautuu pääasiallisesti lähettimien ja vastaanottimien välisiin dominantteihin linkkeihin. Tästä johtuen korkeataajuuksisten radiolinkkien herkkyys satunnaisille esteille tekee paikannuksen, luotettavuuden ja latenssin mahdolliset vaatimukset haastaviksi. Tämän lisäksi mobiililaitteiden kestävä ja luotettava energiansaanti täytyy ottaa huomioon.</p><p>Työssä tutkitaan koordinoitujen monipistelähetysmenetelmiä (CoMP), mitkä mahdollistavat monen käyttäjän prosessoinnin tilatasossa hajautuneiden etäradioyksiköiden (RRU) yli. Tämä varmistaa tarkan paikannuksen ja latenssirajotteisen luotettavan mmWave-tiedonsiirron, vaikka yksi tai useampi dominanteista linkeistä olisi katveessa. Työssä suunnitellaan esteet huomioivan algoritmin painotetun summatiedonsiirtonopeuden maksimointiin mmWave-tiedonsiirtoon perustuen monen yhden antennin käyttäjän. Työssä tutkitaan robustia alalinkin rinnakkaista keilanmuodostusta, joka prosessoidaan hajautuneiden etäradioyksikköjen yli, ja joka hyväksikäyttää tilatason makrodiversiteettiä ja pessimististä ennustetta tiedonsiirtonopeudelle mahdollisten katveisten linkkien suhteen. Lisäksi otetaan huomioon käyttäjäkohtaiset latenssivaatimukset dynaamisessa liityntäverkossa, tavoitteena summatehon minimointi. Tämä stokastinen aikakeskiarvojen ongelma muunnetaan peräkkäisiksi aliongelmiksi, jotka ovat deterministisiä ja toisistaan riippumattomia, käyttäen Lyapunov-optimointia. Työssä kehitetään dynaaminen ohjausalgoritmi, joka mahdollistaa matalan kompleksisuuden suljetun muodon iteratiivisen keilanmuodostusratkaisun tehokkaan toteutuksen. Tämän lisäksi, hyväksikäyttämällä datajonojen ruuhkautumista ja kanavatietoa, toteutetaan CoMP-RRU:n palvelujoukon proaktiivinen ja dynaaminen valikointi.</p><p>Latenssin ja akun keskinäisriippuvuuteen liittyvää jonodynamiikkaa tutkitaan yhtäaikainen informaation ja tehonlähetys (SWIPT) järjestelmissä, tavoitteena tehdä yhteiskeilanmuodostus- ja tehonjako- optimointia, joka pyrkii minimoimaan lähettimen summatehokulutuksen. Akun tyhjenemisilmiö vältetään ottamalla etukäteen huomioon vastaanottimen akun tilan ja EH:n vaihtelut resurssiallokaatiosuunnittelussa. Lopuksi tutkitaan robustia ylälinkin CoMP vastaanottokeilanmuodostussuunnittelua solurakenteisiin pohjautuvaan paikannukseen. Työssä johdetaan myös Cramér-Rao -alaraja, mitä vuorostaan käytetään johtamaan rajat paikannuksen tarkkuudelle, ja siten antaa synergiaetua tarkan paikannuksen ja erittäin luotettavan mmWave-tiedonsiirron välille.</p></div>