Abstract

The need for the industrial Internet-of-Things (IIoT) and the challenges faced in the transition from traditional manufacturing to the next generation of factories is the motivation behind many research works that aim to meet the requirements of future factories. Ultra-reliable low latency communication (URLLC), known as critical machine-type communications (cMTC), is a key enabling force for future connectivity to bring about prominent opportunities in support of the IIoT. The goal of this thesis is to study different enablers for IIoT, discuss their associated challenges, research directions, and specifically focus on diversity mechanisms as a potential enabler for URLLC services in the factories of future. The first part of this thesis provides an overview of potential enablers to meet URLLC requirements. We discuss the corresponding merits and challenges of each technique, and their relevance to IIoT is highlighted. Thereafter, we survey cooperative diversity mechanisms to enable URLLC applications, and meet their corresponding requirements. The second part focuses on the performance analysis of URLLC via cooperative diversity techniques. Different performance metrics such as reliability, latency, and energy efficiency are studied, and the impact of different parameters such as coding rate, transmission power, pilot power/length, blocklength, and resource allocation under a hard deadline on system performance are examined. We aim to mathematically model and characterize the trade-offs between reliability and latency requirements. Finally, the last part of the thesis looks beyond the cooperative diversity technique to enable URLLC services for future connectivity.

Tiivistelmä

Tarve teolliseen esineiden Internettiin (IIoT) ja haasteet siirtymässä perinteisistä tuotantomenetelmistä seuraavan sukupolven tehtaisiin motivoivat useita tutkimustöitä löytämään ratkaisuja niiden vaatimuksiin. Erittäin luotettava pienen latenssin tiedonsiirto (URLLC), joka tunnetaan myös nimellä kriittinen konetyyppinen tietoliikenne (cMTC), on avainasemassa tulevaisuuden verkkoliittyvyydessä tarjoten huomiota herättäviä mahdollisuuksia IIoT-ratkaisuiksi. Tämän väitöskirjan tavoitteena on tutkia erilaisia IIoT:n mahdollistavia tekniikoita, käsitellä niihin liittyviä haasteita ja tutkimussuuntia sekä erityisesti keskittyä diversiteettimekanismeihin varteenotettavana URLLC-palvelujen mahdollistajana tulevaisuuden tehtaissa. Väitöstyön ensimmäinen osa sisältää yleiskatsauksen URLLC-vaatimukset täyttävistä tekniikkavaihtoehdoista. Kunkin tekniikan hyvät ja huonot puolet esitetään ja niiden IIoT-soveltuvuutta arvioidaan. Seuraavaksi tarkastellaan yhteistoiminnallisia diversiteettimenetelmiä mahdollistamaan URLLC-sovelluksia ja toteuttamaan niiden esittämiä vaatimusmäärittelyjä. Työn toinen osa keskittyy URLLC:n suorituskykyanalyysiin yhteistoiminnallisia diversiteettitekniikoita käytettäessä. Luotettavuus, latenssi ja energiatehokkuus ovat esimerkkejä monista tutkittavista suorituskykymittareista. Samoin eri parametrien, kuten koodaussuhde, lähetysteho, pilottisymbolin teho/pituus, lohkonpituus ja resurssiallokaatio, vaikutusta kovan määräajan järjestelmän suorituskykyyn tutkitaan. Työssä tähdätään matemaattiseen mallinnukseen luotettavuuden ja latenssivaatimusten välisen vuorovaikutuksen luonnehtimiseksi. Työn loppuosa tarkastelee yhteistoiminnallisten diversiteettitekniikoiden ulkopuolisia vaihtoehtoja URLLC-palveluihin tulevaisuuden verkkoliittyvyystoteutuksissa.