Hybrid retransmission scheme for QoS-defined 5G ultra-reliable low-latency communications

One of the key challenges in next generation 5G networks is to deliver Ultra-Reliable Low-Latency Communications (URLLC). Recent advances in information theory about principles that govern short packet transmissions pointed out that, for the URLLC typical short packet dimension, achieving higher reliabilities comes at the price of a lower maximum achievable rate, thus lower spectral efficiency. Hence retransmissions are used in LTE and planned for 5G, in order to achieve reliability with a better resource consumption, at the price of increased packet latency. The main contributions of the thesis are: (i) analysis of the tradeoffs between URLLC requirements and the aggressive demand of wireless resource to meet them, (ii) presentation of a novel strategy, named HYBRID scheme, whose purpose is matching the URLLC requirements and concurrently minimizing the resource consumption, (iii) investigation on HARQ techniques in URLLC scenarios. To prepare the performance evaluation of the retransmission schemes, we use the information theory concept of Maximal Coding Rate, showing a theoretical approach to the Link Adaptation procedure. It is proposed the design of a URLLC link to test retransmission strategies, evaluated through simulations, in order to enlighten the advantages of the proposed scheme.

Una delle principali sfide nelle reti 5G di nuova generazione è quella di fornire comunicazioni ultra affidabili a bassa latenza (in inglese URLLC). Grazie ai recenti progressi nella teoria dell'informazione sui principi che governano le trasmissioni con pacchetti brevi, è stato evidenziato che, per la dimensione del pacchetto corto tipico di comunicazioni URLLC, il raggiungimento di una maggiore affidabilità si paga con un ridotto limite massimo di rate di trasmissione, che avrà così una minore efficienza spettrale. Quindi le ritrasmissioni sono utilizzate in LTE e programmate per l'utilizzo in 5G, in modo da raggiungere l'affidabilità con un migliore consumo di risorse, al prezzo di una maggiore latenza di pacchetto. I contributi principali della tesi sono: (i) analisi dei compromessi tra i requisiti URLLC e la richiesta aggressiva di risorse wireless per soddisfarli, (ii) presentazione di una nuova strategia, denominata schema HYBRID, il cui scopo è quello di soddisfare i requisiti URLLC e allo stesso tempo minimizzare il consumo di risorse, (iii) investigazioni sulle tecniche HARQ in scenari URLLC. Per preparare la valutazione delle prestazioni degli schemi di ritrasmissione, utilizziamo il concetto di teoria dell'informazione del Maximal Coding Rate, mostrando un approccio teorico alla procedura di Link Adaptation. Viene proposto il design di un link URLLC per testare strategie di ritrasmissione, valutate attraverso simulazioni, ed evidenziare i vantaggi dello schema proposto.