Performance of delay constrained multi-user networks under block fading channels

Abstract

Effective Capacity (EC) indicates the maximum communication rate subject to a certain delay constraint while the effective energy efficiency (EEE) is the ratio between this EC and power consumption. In this thesis, we analyze the EC and EEE of multi-user networks operating in the finite blocklength (FB) regime. We consider a layout in which a number of users communicate through a common controller. A closed form approximation for the per-user EC is obtained in Nakagami-$m$ fading collision channels. The interference between transmitted data packets degrades the EC of each user. We analyze this decrease proposing three methods to alleviate the interference effect for one of the users namely power control, delay relaxation and joint compensation. Our results show that systems with stringent delay constraints favor power controlled compensation while for shorter packets, the amount of compensation needed by both $\theta$ relaxation and power increases is higher. Thus, it is more costly to compensate networks transmitting shorter packets. For the hybrid method, we maximize an objective function whose parameters are determined according to the design priorities (e.g. rate and latency requirements). Results reveal that there is a unique throughput maximizer which is obtained at an intermediate operational point applying both power control and delay relaxation in the joint compensation process. Furthermore, we characterize the per-user EEE for different power consumption models. The results show that accounting for empty buffer probability enhances the per-user EEE. Considering flexible transmission power and extending the maximum delay tolerance boosts the per-use EEE which is depicted in the thesis as well.

Efektiivinen kapasiteetti kertoo suurimman tietoliikenteen datanopeuden määritetyillä viiverajoituksilla, kun taas efektiivinen energiatehokkuus on efektiivisen kapasiteetin ja tehonkulutuksen suhde. Tässä diplomityössä analysoidaan efektiivistä kapasiteettia ja efektiivistä energiatehokkuutta monisolmuverkoissa, kun käytetään äärellistä lohkon pituutta. Työssä käytetään mallia, jossa tietty määrä käyttäjiä kommunikoi yhteisen kontrolliyksikön ohjaamana. Käyttäjäkohtaisen efektiivisen kapasiteetin approksimaatio datapakettien törmäyksiä mallintavassa Nakagami-m -häipyvässä kanavassa esitetään suljetussa muodossa. Lähetettyjen pakettien välinen häiriö pienentää kunkin käyttäjän efektiivistä kapasiteettia. Tätä ilmiötä pyritään lieventämään kolmella ehdotetulla menetelmällä eli tehonsäädöllä, viiveen relaksoinnilla ja näiden yhdistelmällä. Tutkimustulokset osoittavat, että tiukkojen viiverajoitusten voimassa ollessa tehopohjainen kompensointi toimii parhaiten kun taas lyhyille paketeille vaaditaan molempia menetelmiä. Niinpä lyhyitä paketteja lähettävien verkkojen kompensointimenetelmät ovat kalliita. Hybridimenetelmässä maksimoidaan kohdefunktio, jonka parametrit määritellään suunnittelukriteerien mukaan (esim. datanopeus- ja viivevaatimukset). Tulokset paljastavat, että löytyy yksittäinen verkon läpäisykyvyn maksimoiva keskialueen toimintapisteen kohta teho- ja viivepohjaista kompensointia yhdessä käytettäessä. Lisäksi työssä mallinnetaan solmukohtaista efektiivistä energiatehokkuutta eri tehonkulutusmalleilla. Tulokset osoittavat, että ei-tyhjän puskurin todennäköisyyden huomioon ottaminen parantaa käyttäjäkohtaista efektiivistä energiatehokkuutta. Työssä kuvataan myös, että joustavan lähetystehon käyttö yhdessä väljennetyn maksimiviivetoleranssin kanssa parantaa efektiivistä energiatehokkuutta.