Timely throughput maximization using multiple access channel
Çoklu erişim kanalı kullanarak zamanında verim maksimizasyonu
- Tez No: 831258
- Danışmanlar: PROF. DR. EZHAN KARAŞAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 134
Özet
Mevcut dördüncü nesil (4G) kablosuz ağların gecikme süresi ve güvenilirlik özellikleri, çok daha düşük gecikme süresi ve çok daha yüksek güvenilirlik gerektiren kitlesel bağlantılı cihazlara giden yolu açmıştır. Beşinci nesil (5G) kablosuz ağlarda, bu talepleri karşılamak için ultra güvenilir ve düşük gecikmeli iletişim (URLLC) kavramı ortaya atılmıştır. URLLC, 99.999% güvenilirlik oranı ile 1 ms gecikme süresine sahip kısa paketler sunmayı amaçlamaktadır. Hücresel Nesnelerin İnterneti (IoT), sürekli artan birbirine bağlı cihaz sayısı, gecikme kısıtlamaları ve yüksek verim talepleri gibi temel zorlukları ele alırken, bu tür büyük bağlantıları kavramsallaştırmak için bir çerçevedir. Hücresel IoT uygulamaları için zorlu görevlerden biri, yoğun olarak konuşlandırılmış IoT cihazlarına son tarih kısıtlı bilgilerin iletilmesidir. Hücresel IoT ağlarında zamanlama açısından kritik bilgilerin iletilmesine yönelik artan talep, hem akademi hem de endüstri için URLLC odaklı bir zorluk teşkil etmektedir. Bu motivasyonla, bu tez, kısa paketlerin yoğun olarak konuşlandırılmış cihazlara belirli bir son tarih içinde güvenilir bir şekilde aktarılması için teknikler geliştirmeyi amaçlamaktadır. Bu tezde, Çoklu Erişim (MA) şemaları kullanarak ortalama güç kısıtı altında sıkı son teslim tarihlerine sahip gecikme kısıtlı iletişim problemini ele alıyoruz. Tezde ele alınan ilk MA şeması, iletim şeması seçenekleri olarak hem Ortogonal MA (OMA) hem de güç alanı Ortogonal Olmayan MA (NOMA) içeren Hibrit MA'dır. Tezde incelenen ikinci MA şeması ise OMA, NOMA ve Uzam Bölüşümlü MA (SDMA) şemalarını genelleştiren Hız Bölmeli Çoklu Erişim (RSMA) şemasıdır. Süresi dolan paketlerin tampondan düştüğü son tarih sona ermeden önce başarıyla iletilen paketlerin ortalama sayısını temsil eden zamanında verimi en üst düzeye çıkarıyoruz. Lyapunov stokastik optimizasyon yöntemlerini kullanarak, zaman ortalama güç kısıtlamalarını karşılarken paket düşme oranını en aza indiren dinamik bir güç atama algoritması geliştiriyoruz. Ayrıca, süresi dolması muhtemel paketleri tespit etmek ve proaktif olarak düşürmek için Erken Paket Düşürme (EPD) adı verilen esnek bir paket düşürme mekanizması öneriyoruz. Son olarak, önerilen algoritmanın hesaplama yükünü azaltmak için basit bir sezgisel yöntem öneriyoruz. Sayısal sonuçlar, Hibrit MA'nın geleneksel OMA'ya kıyasla zamanında elde edilen verimi 46%'a kadar ve ortalama olarak 21%'dan fazla artırdığını göstermektedir. EPD ile, bu zamanında verim kazanımları sırasıyla 53% ve 24,5%'a yükselmektedir. EPD ile RSMA'nın kullanılması, EPD'li Hibrit MA'ya kıyasla zamanında verimi 5,95%'a kadar ve ortalama olarak yaklaşık 3,12% artırır. Simülasyon sonuçları, önerilen sezgisel yöntemin zamanında verim performansında küçük bir kayıp pahasına hesaplama yükünü önemli ölçüde azalttığını göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Latency and reliability capabilities of currently available fourth-generation (4G) wireless networks paved the path towards massively connected devices requiring much lower latency and much higher reliability. In the fifth-generation (5G) wireless networks, the concept of ultra-reliable and low-latency communications (URLLC) is introduced to fulfill these demands. URLLC aims to deliver short packets with 1 ms latency with a reliability rate of 99.999%. The cellular Internet of Things (IoT) is a framework for conceptualizing such massive connectivity while addressing fundamental challenges such as the ever-increasing number of interconnected devices, latency constraints, and high-throughput demands. One of the challenging tasks for cellular IoT applications is the delivery of deadline-constrained information to densely deployed IoT devices. Increasing demand for delivering timing-critical information in cellular IoT networks poses a URLLC-oriented challenge for both academia and industry. With this motivation, this thesis aims to develop techniques for reliably transferring short packets to densely deployed devices within a given deadline. In this thesis, we address the problem of latency-constrained communications with strict deadlines under average power constraint using Multiple Access (MA) schemes. The first MA scheme considered in the thesis is Hybrid MA, which consists of both Orthogonal MA (OMA) and power domain Non-Orthogonal MA (NOMA) as transmission scheme options. The second MA scheme studied in the thesis is Rate-Splitting Multiple Access (RSMA), which generalizes OMA, NOMA and Space-Division MA (SDMA) schemes. We maximize the timely throughput, which represents the average number of successfully transmitted packets before deadline expiration, where expired packets are dropped from the buffer. We use Lyapunov stochastic optimization methods to develop a dynamic power assignment algorithm for minimizing the packet drop rate while satisfying time average power constraints. Moreover, we propose a flexible packet dropping mechanism called Early Packet Dropping (EPD) to detect likely to become expired packets and drop them proactively. Finally, we propose a simple heuristic to reduce the computational load of the proposed algorithm. Numerical results show that Hybrid MA improves the timely throughput compared to conventional OMA by up to 46% and on average by more than 21%. With EPD, these timely throughput gains improve to 53% and 24.5%, respectively. Utilization of RSMA with EPD further improves timely throughput by up to 5.95% and on the average by about 3.12% compared to Hybrid MA with EPD. Simulation results indicate that the proposed heuristic significantly reduces the computational load at the cost of a small loss in the timely throughput performance.
Benzer Tezler
- Timely communication for energy-efficiency, datafreshness and tracking
Enerji verimliliği, veri tazeliği ve takip için zamanlıhaberleşme
BARAN TAN BACINOĞLU
Doktora
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ELİF UYSAL
- Scheduling and queue management for information freshness in multi-source status update systems
Çok kaynaklı bilgi güncelleme sistemlerinde bilgi tazeliği için çizelgeleme ve kuyruk yönetimi
EGE ORKUN GAMGAM
Doktora
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NAİL AKAR
- Efficient graphics processing unit based algorithms for high-throughput communication systems
Yüksek veri hacimli haberleşme sistemleri için etkili grafik işleme ünitesi tabanlı algoritmalar
SELÇUK KESKİN
Doktora
İngilizce
2017
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolBahçeşehir ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAŞKIN KOÇAK
- A computer simulation model to determine the productivity of an investment on a container terminal
Konteyner terminline yapılacak optimum yatırımın seçiminde bilgisayar similasyon modellemesinin kullanımı
HAYDAR MÜCAHİT ŞİŞLİOĞLU
Doktora
İngilizce
2017
DenizcilikPiri Reis ÜniversitesiDeniz Ulaştırma İşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SÜLEYMAN ÖZKAYNAK
- Yazılım tanımlı ağ tabanlı nesnelerin internetinde yönlendirme, kontrolör ve sunucu yerleştirme için mimari eniyilemesi
Architecture optimization for forwarding, controller and server placement in software defined networking enabled internet of things
YASİN İNAĞ
Doktora
Türkçe
2022
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolGazi ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET DEMİRCİ