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An information-centric approach to massive connectivity in wireless sensor networks
Dommel, Johannes
Wireless communication technologies as key enabler for Internet of Things (IoT) and massive machine-type communication (mMTC) applications are of growing importance in connection with cellular communication networks like 5G New Radio (5G-NR). Although solutions based on advanced massive multiple-input multiple-output (MIMO) techniques and the exploration of the sub-THz spectrum promise a significant increase in capacity, the prospects for solving the problem of massive connectivity for large-scale sensor networks are rather sobering due to the stringent power limitations at the mobile devices and the limited propagation range in the higher frequencies. A bottleneck in today’s wireless communication systems arises from the underlying assumption of orthogonality in the design of the air interface and multiple access protocols. The limiting factor here originates from the fact that wireless resources can only be used by one device at a time, so that the total number of devices is inherently limited by the number of available resources. Thus, in the regime of massive connectivity with a large number of active devices, orthogonal transmission becomes prohibitive. Another limitation stems from the small size of the data packets, typically on the order of several bytes, while the number of information bits can be on the order of the entropy of the random process characterizing the device activation, making user identification tedious. Consequently, the design of efficient transmission schemes for sustainable wireless networks requires a critical rethinking of the assumptions on device identification (»Is the device identity relevant for the application?«) and information transmission (»What relevant information is to be obtained via the communication process? «). Contrary to the traditional communication model that treats the communication process as a content-agnostic data pipe, emerging information-centric models have become the subject of research as a viable solution for energy-efficient massive multiple access. In this work, the problem of massive connectivity with limited communication resources and power budgets is considered following an information-centric approach, exploiting methodological concepts from information theory, signal processing, multiple access techniques and protocols. A considered information-centric multiple access protocol, e.g., is type-based multiple access (TBMA), where the idea is that the information, the receiver is interested to infer from multiple transmissions, can be characterized by a statistical representation, e.g., its empirical measure (or type). By leveraging the sparse nature of device activation, an non-orthogonal extension of TBMA is developed incorporating a Bayesian message-passing detection receiver. Further, the problem of massive connectivity is addressed from a semantics-aware perspective that incorporates the importance and usefulness/value of information into the communication process. Thus, transmission schemes that exploit semantic-aware active sampling in combination with transmission on shared communication resources are developed. A central statement of this work is that an information-centric approach can contribute significantly towards sustainable and energy-efficient communication systems.
Drahtlose Kommunikationstechnologien sind als Grundlagen für Internet of Things (IoT) und massive machine-type communication (mMTC) Anwendungen von wachsender Bedeutung, speziell in Verbindung mit zellularen Mobilfunksystemen wie z.B. 5G New Radio (5G-NR). Obwohl Lösungen basierend auf fortschrittlichen multipleinput multiple-output (MIMO) Techniken, sowie der technischen Erschließung des sub- THz Frequenzbereichs eine enorme Steigerung der Kapazität versprechen, sind die Aussichten dieser Technologien zur Lösung des Problems der massiven Konnektivität für großangelegte IoT/mMTC Systeme eher ernüchternd. Dies liegt zum einen an der strengen Leistungsbegrenzung mobiler Sendeknoten und zum anderen an der eingeschränkten Reichweite in den höheren Frequenzen. Ein kritischer Aspekt ist das zugrundeliegende Paradigma der Orthogonalität im Design der Luftschnittstelle und der Vielfachzugriffsprotokolle gegenwärtiger drahtloser Kommunikationssysteme. Der limitierende Faktor hierbei ergibt sich aus der Tatsache, dass eine drahtlose Ressource jeweils nur von einem Gerät zu einem Zeitpunkt verwendet wird, sodass die Gesamtzahl der Geräte folglich proportional zu den verfügbaren Ressourcen begrenzt ist. Eine weitere Einschränkung ergibt sich aus der eher kleinen Paketgröße, typischerweise in der Größenordnung mehrerer Bytes, wobei die Anzahl der tatsächlichen Informationsbits in der Größenordnung der Entropie des zufälligen Benutzeraktivierungsprozesses liegen kann. Folglich erfordert das Design energieeffizienter Verfahren für massiven Mehrfachzugriff ein kritisches Hinterfragen der gängigen Trennung von Nutzeridentifikation (»Ist die Geräteidentität relevant für die Anwendung?«) und Datenübertragung (»Was sind die relevanten Informationen des Kommunikationsprozesses?«). Im Gegensatz zum traditionellen Kommunikationsmodell, das den Kommunikationsprozess als neutrale Datenleitung betrachtet, sind informationszentrische Modelle Gegenstand der Forschung geworden. In dieser Arbeit wird das Problem der massiven Mehrfachkonnektivität aus einer informationszentrischen Perspektive unter Verwendung methodischer Konzepte aus Informationstheorie, Signalverarbeitung, Vielfachzugriffstechniken und -protokollen betrachtet. Ein Beispiel für ein informationszentrisches Vielfachzugriffsprotokoll ist type-based multiple access (TBMA), bei dem die Information, die der Empfänger aus den Übertragungen mehrerer Sendeknoten ableiten möchte, durch eine statistische Darstellung (z.B. dem empirisches Maß) repräsentiert werden kann. Durch Ausnutzung der zufälligen Natur der Sende- bzw. Ereignisaktivität wird eine effiziente, nicht-orthogonale Erweiterung von TBMA entwickelt, die einen neuartigen Bayesianischen Message-Passing basierten Empfänger beinhaltet. Weiterhin wird das Problem der massiven Konnektivität aus einer semantischen Perspektive betrachtet, welche die Wichtigkeit und Nützlichkeit von Informationen im Kontext der Anwendung in den Kommunikationsprozess einbezieht. Eine zentrale Aussage dieser Arbeit ist, dass ein informationszentrierter Ansatz wesentlich zur Entwicklung nachhaltiger, drahtloser Kommunikationssysteme beitragen kann.
