Design and analysis of massive IoT networks in finite block-length regime

Abstract

A tese apresentada aborda o design e a análise de redes massivas de Internet das Coisas (IoT) em regime de comprimento de bloco finito (Finite Block-Length - FBL), com foco na confiabilidade da transmissão de pacotes curtos e nos desafios impostos pela interferência e mecanismos de acesso aleatório. O trabalhoée dividido em duas partes principais: (i) a análise de Redes Amplas de Baixa Potencia (LP WAN) sob interferência e canais de desvanecimento Nakagami-m e (ii) o estudo de um sistema híbrido de comunicação ótica sem fio (OWC) para aplicações IoT internas. Parte 1: Análise da Probabilidade de Erro em Redes LP WAN As LP WANs são projetadas para oferecer cobertura de longo alcance e baixo consumo de energia, permitindo a conexão massiva de dispositivos IoT. No entanto, a interferência e a restrição do comprimento de bloco finito apresentam desafios significativos para a confiabilidade da transmissão. Para abordar esses desafios, a tese propõe um modelo matemático que combina a geometria estocástica e a teoria da informação de bloco finito para derivar expressões fechadas da probabilidade de erro na transmissão de pacotes. A análise considera dois cenários principais: - **Receção na Estacão Base Mais Próxima:** E derivada uma expressão fechada para a probabilidade de um pacote não ser corretamente descodificado, levando em conta a interferência, os efeitos de desvanecimento e as condições do canal de comunicação. Também são exploradas técnicas de mitigação da perda de pacotes por meio de retransmissões inteligentes e otimização da alocação de frequência. - **Receção Macrodiversidade:** A análise é estendida para um cenário onde os pacotes podem ser recebidos por múltiplas estacões base, aumentando a confiabilidade da transmissão e reduzindo a taxa de perda de pacotes. Estratégias de agregação de sinais e combinação de pacotes em diferentes estações base são estudadas para aprimorar o desempenho da rede. Além disso, são exploradas abordagens matemáticas para modelar a interferência intercelular e suas consequências no desempenho do sistema. São analisados diferentes perfis de propagação do sinal, considerando cenários urbanos, suburbanos e rurais, levando em conta a dispersão de interferência e os impactos da densidade de dispositivos na qualidade do serviço. Outro aspecto abordado na tese e a otimização dos algoritmos de controle de potência e a alocação dinâmica de espectro para minimizar os efeitos da interferência. Estratégias de aprendizado de máquina são avaliadas para permitir um ajuste automático das configurações da rede conforme as condições variáveis do canal, maximizando a eficiência espectral. Parte 2: Sistemas Híbridos de Comunicação Ótica Sem Fio (OWC) e RF. A segunda parte da tese explora um sistema inovador que integra comunicação ótica sem fio (OWC) em ambientes internos com comunicação por radiofrequência (RF) em redes LP WAN externas. O modelo proposto baseia-se na transmissão de dados entre dispositivos IoT e pontos de acesso OWC internos, que atuam como reles para retransmitir os dados para uma estação base externa via RF. As vantagens da comunicação ótica sem fio incluem a imunidade a interferência eletromagnética e o uso de espectro não licenciado, o que reduz os custos operacionais. No entanto, desafios como a atenuação do sinal por obstáculos e a variabilidade das condições de iluminação são abordados na modelagem proposta. Para garantir a confiabilidade desse sistema híbrido, são exploradas estratégias avançadas de multiplexação e codificação para aprimorar a taxa de transmissão e reduzir os efeitos da interferência. Métodos como multiplexação por divisão de tempo (TDM), multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) e técnicas de formação de feixes são analisados para otimizar o desempenho do sistema. A modelagem matemática desenvolvida para esse sistema inclui: Probabilidade de Erro de Descodificação; Expressões fechadas para a probabilidade de erro de pacotes de dados curtos em presença de interferência: levando em consideração diferentes perfis de atenuação do sinal e variações no espectro de luz visível; Análise de Vazão (Throughput): Avaliação da eficiência do sistema em termos de taxa de transmissão bem-sucedida, considerando variações de carga na rede e mecanismos de retransmissão inteligentes; Probabilidade de Falha (Outage Probability): Determina a probabilidade de o sistema não atender aos requisitos mínimos de SINR (Signal-to-Interferenceand- Noise Ratio), detalhando diferentes estratégias para otimizar a receção do sinal, como beamforming dinâmico e multiplexação espacial. Adicionalmente, são investigadas técnicas de codificação de canal especificas para comunicações óticas, incluindo Forward Error Correction (FEC) e modulação adaptativa. Também são discutidas estratégias de segurança e mitigação de ataques em redes híbridas OWC/RF, considerando cenários onde dispositivos IoT podem ser alvos de intercetação de sinal. Conclusões e Trabalhos Futuros. A tese conclui que o projeto de redes massivas IoT em regime de comprimento de bloco finito exige um balanco entre densidade de dispositivos, interferência e mecanismos de acesso. As contribuições principais incluem: - O desenvolvimento de expressões matemáticas precisas para a probabilidade de erro em LP WANs e sistemas híbridos OWC/RF, validando os modelos por meio de simulações numéricas detalhadas e comparações com dados experimentais. - A demonstração do impacto do acesso aleatório na confiabilidade da transmissão de pacotes curtos e a proposição de mecanismos de otimização para minimizar colisões e melhorar a eficiência espectral. A exploração da captura de sinais como uma técnica para mitigar interferências em sistemas OWC para IoT, proporcionando um novo paradigma para redes de comunicação sem fio de baixa latência. Como perspetivas futuras, sugere-se a extensão do modelo para incluir distribuições de desvanecimento mais complexas, bem como a avaliação do desempenho sob diferentes protocolos de acesso ao meio. Alem disso, a implementação pratica do sistema híbrido OWC/RF poderia validar experimentalmente os resultados teóricos apresentados. Outras possibilidades incluem a exploração de aprendizado de máquina para otimizar o gerenciamento de recursos da rede e a análise de segurança cibernética aplicada a redes massivas de IoT. Também é proposta a aplicação da teoria dos jogos para otimizar a alocação de recursos em redes massivas IoT, permitindo um balanceamento dinâmico do tráfego de dados. Além disso, sugere-se a investigação do impacto de redes definidas por software (SDN) e arquiteturas de rede baseadas em inteligência artificial para uma melhor adaptação âs condições variáveis do ambiente de comunicação.The design of Low-Power Wide Area Networks (LP WAN) assumes balancing the trade-offs between: i) interference, modeled using stochastic geometry, ii) short packet transmission reliability, quantified by the finite block-length information theory, and iii) the random access mechanism. In this thesis, we derive an exact closed-form expression for the probability a device data packet is not decoded at the i) nearest or ii) macro base station, under Nakagami-m fading channels in an LP WAN employing slotted ALOHA random access. Under the same setup, we extend the analysis to provide an error probability approximation in the finite block-length regime. Using numerical results, we evaluate the accuracy of the obtained expressions and their applicability to the system design and performance exploration under a range of the relevant system parameters. Second part of the thesis includes first hybrid OWC/RF system consisting of an indoor OWC and an outdoor low-power wide-area network (LPWAN) IoT system. More precisely, we analyzed a two-tier OWC/RF SA-based system focusing on a single large indoor OWC-based IoT system with a number of indoor OWC access points (APs) which act as relays to perform RF transmission to the outdoor LP WAN base station (BS). It is later extended to the case of Slotted ALOHA (SA)-inspired solution for an indoor optical wireless communication (OWC)-based Internet of Things (IoT) system containing IoT devices that exchange data with an access point (AP). Assuming that the OWC receiver at the AP exploits the capture effect. Here we derive the error probability of decoding a short-length data packet originating from a randomly selected OWC IoT device in the presence of interfering users.