Published February 1, 2023 | Version v1
Publication Open

Space-Terrestrial Cooperation Over Spatially Correlated Channels Relying on Imperfect Channel Estimates: Uplink Performance Analysis and Optimization

Creators

  • 1. Hanoi University of Science and Technology
  • 2. University of Luxembourg
  • 3. University of Colorado Denver
  • 4. University of Southampton

Description

A whole suite of innovative technologies and architectures have emerged in response to the rapid growth of wireless traffic. This paper studies an integrated network design that boosts system capacity through cooperation between wireless access points (APs) and a satellite for enhancing the network's spectral efficiency. As for our analytical contributions , upon coherently combing the signals received by the central processing unit (CPU) from the users through the space and terrestrial links, we first mathematically derive an achievable throughput expression for the uplink (UL) data transmission over spatially correlated Rician channels. Our generic achievable throughput expression is applicable for arbitrary received signal detection techniques employed at the APs and the satellite under realistic imperfect channel estimates. A closed-form expression is then obtained for the ergodic UL data throughput, when maximum ratio combining is utilized for detecting the desired signals. As for our resource allocation contributions , we formulate the max-min fairness and total transmit power optimization problems relying on the channel statistics for performing power allocation. The solution of each optimization problem is derived in form of a low-complexity iterative design, in which each data power variable is updated relying on a closed-form expression. Our integrated hybrid network concept allows users to be served that may not otherwise be accommodated due to the excessive data demands. The algorithms proposed allow us to address the congestion issues appearing when at least one user is served at a rate below his/her target. The mathematical analysis is also illustrated with the aid of our numerical results that show the added benefits of considering the space links in terms of improving the ergodic data throughput. Furthermore, the proposed algorithms smoothly circumvent any potential congestion, especially in face of high rate requirements and weak channel conditions.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

ظهرت مجموعة كاملة من التقنيات والبنى المبتكرة استجابة للنمو السريع لحركة الاتصالات اللاسلكية. تدرس هذه الورقة تصميم شبكة متكامل يعزز قدرة النظام من خلال التعاون بين نقاط الوصول اللاسلكية (APs) والقمر الصناعي لتعزيز الكفاءة الطيفية للشبكة. أما بالنسبة لمساهماتنا التحليلية، فعند التمشيط المتماسك للإشارات التي تتلقاها وحدة المعالجة المركزية (CPU) من المستخدمين من خلال الروابط الفضائية والأرضية، فإننا أولاً نستمد رياضيًا تعبيرًا عن الإنتاجية القابلة للتحقيق لنقل بيانات الوصلة الصاعدة (UL) عبر قنوات ريسيان المترابطة مكانيًا. ينطبق تعبير الإنتاجية العام القابل للتحقيق الخاص بنا على تقنيات الكشف عن الإشارات المتلقاة التعسفية المستخدمة في نقاط الوصول والقمر الصناعي بموجب تقديرات قناة غير كاملة واقعية. ثم يتم الحصول على تعبير مغلق الشكل لإنتاجية بيانات UL الإرجودية، عند استخدام الجمع بين النسبة القصوى للكشف عن الإشارات المطلوبة. أما بالنسبة لمساهماتنا في تخصيص الموارد، فإننا نصوغ الحد الأقصى من الإنصاف وإجمالي مشكلات تحسين طاقة الإرسال بالاعتماد على إحصائيات القناة لإجراء تخصيص الطاقة. يتم اشتقاق حل كل مشكلة تحسين في شكل تصميم تكراري منخفض التعقيد، حيث يتم تحديث كل متغير قدرة بيانات بالاعتماد على تعبير نموذج مغلق. يسمح مفهوم شبكتنا الهجينة المتكاملة بخدمة المستخدمين الذين قد لا يتم استيعابهم بطريقة أخرى بسبب الطلبات المفرطة على البيانات. تسمح لنا الخوارزميات المقترحة بمعالجة مشكلات الازدحام التي تظهر عندما يتم تقديم خدمة لمستخدم واحد على الأقل بمعدل أقل من هدفه. يتم توضيح التحليل الرياضي أيضًا بمساعدة نتائجنا العددية التي توضح الفوائد الإضافية للنظر في روابط الفضاء من حيث تحسين إنتاجية البيانات الإرجودية. علاوة على ذلك، فإن الخوارزميات المقترحة تتحايل بسلاسة على أي ازدحام محتمل، خاصة في مواجهة متطلبات المعدل المرتفع وظروف القناة الضعيفة.

Translated Description (French)

Toute une série de technologies et d'architectures innovantes ont vu le jour en réponse à la croissance rapide du trafic sans fil. Cet article étudie une conception de réseau intégré qui augmente la capacité du système grâce à la coopération entre les points d'accès sans fil (PA) et un satellite pour améliorer l'efficacité spectrale du réseau. En ce qui concerne nos contributions analytiques, en peignant de manière cohérente les signaux reçus par l'unité centrale de traitement (CPU) des utilisateurs via les liaisons spatiales et terrestres, nous dérivons d'abord mathématiquement une expression de débit réalisable pour la transmission de données en liaison montante (UL) sur des canaux de Rician corrélés spatialement. Notre expression générique de débit réalisable est applicable aux techniques de détection de signal reçu arbitraire employées au niveau des points d'accès et du satellite sous des estimations de canal imparfaites réalistes. Une expression de forme fermée est ensuite obtenue pour le débit de données UL ergodique, lorsque la combinaison de rapport maximal est utilisée pour détecter les signaux souhaités. En ce qui concerne nos contributions à l'allocation des ressources, nous formulons les problèmes d'équité max-min et d'optimisation de la puissance d'émission totale en nous appuyant sur les statistiques de canal pour effectuer l'allocation de puissance. La solution de chaque problème d'optimisation est dérivée sous la forme d'une conception itérative de faible complexité, dans laquelle chaque variable de puissance de données est mise à jour en s'appuyant sur une expression de forme fermée. Notre concept de réseau hybride intégré permet de servir des utilisateurs qui pourraient ne pas être pris en charge en raison de la demande excessive de données. Les algorithmes proposés nous permettent de traiter les problèmes de congestion apparaissant lorsqu'au moins un utilisateur est servi à un taux inférieur à sa cible. L'analyse mathématique est également illustrée à l'aide de nos résultats numériques qui montrent les avantages supplémentaires de la prise en compte des liens spatiaux en termes d'amélioration du débit de données ergodiques. En outre, les algorithmes proposés contournent en douceur toute congestion potentielle, en particulier face à des exigences de débit élevées et à des conditions de canal faibles.

Translated Description (Spanish)

Toda una serie de tecnologías y arquitecturas innovadoras han surgido en respuesta al rápido crecimiento del tráfico inalámbrico. Este documento estudia un diseño de red integrado que aumenta la capacidad del sistema a través de la cooperación entre los puntos de acceso inalámbricos (AP) y un satélite para mejorar la eficiencia espectral de la red. En cuanto a nuestras contribuciones analíticas, al peinar coherentemente las señales recibidas por la unidad central de procesamiento (CPU) de los usuarios a través de los enlaces espaciales y terrestres, primero derivamos matemáticamente una expresión de rendimiento alcanzable para la transmisión de datos de enlace ascendente (UL) a través de canales Rician espacialmente correlacionados. Nuestra expresión genérica de rendimiento alcanzable es aplicable para técnicas arbitrarias de detección de señales recibidas empleadas en los AP y el satélite bajo estimaciones realistas de canales imperfectos. Luego se obtiene una expresión de forma cerrada para el rendimiento de datos de UL ergódico, cuando se utiliza la combinación de relación máxima para detectar las señales deseadas. En cuanto a nuestras contribuciones a la asignación de recursos, formulamos la equidad máxima-mínima y los problemas de optimización de la potencia de transmisión total basándose en las estadísticas del canal para realizar la asignación de potencia. La solución de cada problema de optimización se deriva en forma de un diseño iterativo de baja complejidad, en el que cada variable de potencia de datos se actualiza basándose en una expresión de forma cerrada. Nuestro concepto de red híbrida integrada permite atender a usuarios que de otro modo no podrían ser atendidos debido a la excesiva demanda de datos. Los algoritmos propuestos nos permiten abordar los problemas de congestión que aparecen cuando al menos un usuario es atendido a una tasa inferior a su objetivo. El análisis matemático también se ilustra con la ayuda de nuestros resultados numéricos que muestran los beneficios adicionales de considerar los enlaces espaciales en términos de mejorar el rendimiento de los datos ergódicos. Además, los algoritmos propuestos eluden sin problemas cualquier posible congestión, especialmente frente a los altos requisitos de velocidad y las débiles condiciones del canal.

Files

09998496.pdf.pdf

Files (245 Bytes)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:abcc253ada75693009138b9dd7ab53a5
245 Bytes
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
التعاون الفضائي الأرضي عبر القنوات المترابطة مكانيًا بالاعتماد على تقديرات القناة غير الكاملة: تحليل أداء الوصلة الصاعدة والتحسين
Translated title (French)
Coopération espace-terrestre sur des canaux spatialement corrélés s'appuyant sur des estimations de canaux imparfaites : analyse et optimisation des performances de liaison montante
Translated title (Spanish)
Cooperación espacio-terrestre sobre canales correlacionados espacialmente que dependen de estimaciones de canales imperfectos: análisis y optimización del rendimiento del enlace ascendente

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4312416064
DOI
10.1109/tcomm.2022.3231880

Is supplement to
https://openalex.org/W4372349176 (Other)
https://openalex.org/W4293094831 (Other)
https://openalex.org/W2515629000 (Other)
https://openalex.org/W2395708164 (Other)
https://openalex.org/W2169192185 (Other)
https://openalex.org/W2140606879 (Other)
https://openalex.org/W2103590590 (Other)
https://openalex.org/W2082786467 (Other)
https://openalex.org/W2016000499 (Other)
https://openalex.org/W2013230419 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Vietnam

References

  • https://openalex.org/W1540562499
  • https://openalex.org/W1985290376
  • https://openalex.org/W2084304524
  • https://openalex.org/W2096127572
  • https://openalex.org/W2137106574
  • https://openalex.org/W2158810563
  • https://openalex.org/W2164271287
  • https://openalex.org/W2187603890
  • https://openalex.org/W2188931815
  • https://openalex.org/W2196762928
  • https://openalex.org/W2262889796
  • https://openalex.org/W2286275639
  • https://openalex.org/W250076511
  • https://openalex.org/W2530073819
  • https://openalex.org/W2770606349
  • https://openalex.org/W2796965548
  • https://openalex.org/W2883707621
  • https://openalex.org/W2905266714
  • https://openalex.org/W2919225749
  • https://openalex.org/W2941882494
  • https://openalex.org/W2963151934
  • https://openalex.org/W2963306459
  • https://openalex.org/W2965180421
  • https://openalex.org/W3032666109
  • https://openalex.org/W3039539730
  • https://openalex.org/W3041415426
  • https://openalex.org/W3086879480
  • https://openalex.org/W3089706104
  • https://openalex.org/W3103317697
  • https://openalex.org/W3104650338
  • https://openalex.org/W3134807487
  • https://openalex.org/W3152961272
  • https://openalex.org/W3160810667
  • https://openalex.org/W3161758999
  • https://openalex.org/W3163336461
  • https://openalex.org/W3176841683
  • https://openalex.org/W3178636644
  • https://openalex.org/W3181930796
  • https://openalex.org/W318507651
  • https://openalex.org/W3188465966
  • https://openalex.org/W3189035828
  • https://openalex.org/W3192456604
  • https://openalex.org/W3197063029
  • https://openalex.org/W3197668573
  • https://openalex.org/W3206701721
  • https://openalex.org/W4250589301
  • https://openalex.org/W4286909322
  • https://openalex.org/W4289823339