Function Computation via Electromagnetic Superposition
Estimation Problems
Tid: Må 2024-11-04 kl 13.00
Plats: Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/65644192644
Språk: Engelska
Ämnesområde: Elektro- och systemteknik
Respondent: Henrik Hellström , Nätverk och systemteknik
Opponent: Professor Sławomir Stańczak, Technical University of Berlin, Berlin, Germany
Handledare: Carlo Fischione, Nätverk och systemteknik; Viktória Fodor, Nätverk och systemteknik
QC 20241014
Abstract
I trådlösa kommunikationssystem är interferens en av de mest begränsande flaskhalsarna. Eftersom alla enheter delar samma elektromagnetiska spektrum så tenderar kommunikationsprotokol att separera radioresurser för att undvika interferens. I LTE och 5G får enheterna inte ta initiativ till att sända, utan måste vänta på ett tillstånd som bestämmer vilka resurser de får använda. I Wi-Fi 5 får enheterna ta initiativ, men de måste först lyssna på kanalen och vänta tills det är tyst innan de börjar sända. Dessa interferensundvikande metoder är väldigt användbara men de påverkas oundvikligen av problem med bergänsat spektrum. Om för många enheter vill kommunicera samtidigt så kommer undvikningen av interferens leda till otillräckliga resurser för varje enhet, vilket drastiskt minskar kommunikationskvaliteten.
I den här avhandlingen studerar vi en ny metod för trådlös kommunikation som har ett annat tillvägagångssätt för att samarbeta över det elektromagnetiska spektrumet. Istället för att allokera ortogonala resurser till varje enhet så tilldelas många enheter samma kommunikationsresurser, vilket leder till elektromagnetisk superposition av deras signaler. När mottagaren lyssnar på de kombinerade signalerna, så är det så pass mycket interferens att separeringen av individuella meddelanden blir utmanande. Däremot är det möjligt att beräkna funktioner av meddelanderna, vilket är varför metoden ofta kallas Over-the-Air Function Computation (AirComp) på engelska. På svenska föreslår vi att kalla det signalfogning, för att referera till hur signaler fogas till en funktion i spektrumet.
Tekniken för signalfogning är fundamentalt annorlunda från ortogonala kommunikationsmetoder. Välkända resultat inom till exempel, fastrackning, felrättande koder och modulering fungerar inte på samma sätt för signalfogning. Pågrund av detta så brukar signalfogningslitteraturen inte garantera felfri funktionsberäkning, utan arbetar istället med estimering. Den här avhandlingen är dedikerad till att utveckla bättre estimeringsalgoritmer för signalfogning. Till exempel har vi utvecklat en effektallokeringsalgoritm för att ta bort systematiska fel under snabbfädning och vi har utvecklat kompressionsmetoder för att beräkna specifika funktioner helt utan estimeringsfel.
Våra senaste bidrag till litteraturen har fokuserat på att integrera realistiska antaganden gällande tidssynkronisering och fastrackning. Inom ortogonala kommunikationssystem så sker fastrackning ofta genom noggrann korrektion på mottagarsidan, där referenssignaler från sändaren nyttjas i regleralgoritmer för att styra mottagaroscillatorn. Inom signalfogning kan inte fasen korrigeras på mottagarsidan eftersom vi är intresserade av fasriktig superposition i det elektromagnetiska spektrumet. Samtidigt är faskorrigering på sändarsidan utmanande, och därför har vi arbetat med att utveckla signalfogningsmetoder som inte är beroende av någon faskorrigering. Vi specificerar också sådana metoder för digitala kommunikationsproblem med glesa signaler, vilket överträffar otrogonala metoder.