Early-detection schemes based on sequential probability tests for low-latency communications

Barragán Guerrero, Diego Orlando (2025). Early-detection schemes based on sequential probability tests for low-latency communications. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In the context of fifth-generation cellular network technology (5G) and beyond, a low-latency communication system requires a trade-off between reliability and delay. In particular, ultrareliable and low-latency communication (URLLC) targets critical applications such as remote surgery, tactile Internet, autonomous vehicles, and industrial automation, where transmitting short blocklength codewords with high reliability and minimal latency is essential. However, traditional techniques are designed for asymptotic regimes, that is, they rely on transmissions of long codewords. This thesis addresses the challenge of reducing communication latency by proposing an early-detection scheme (EDS) based on sequential probability-ratio test (SPRT), operating without feedback and using short codewords.

In particular, the EDS assumes a finite blocklength (FBL) regime with probabilistic sequential detection. First, the minimum achievable latency for channels with additive white Gaussian noise (AWGN) and Rayleigh fading in both finite and infinite block length regimes is characterized. The results show that, for AWGN channels, increasing the signal-to-noise ratio (SNR) and bandwidth reduces latency. On the other hand, in Rayleigh fading channels, latency is influenced by the diversity, coherence interval, and channel estimation overhead.

As a core contribution of this thesis, the design and analysis of a feedback-free EDS, which enables the receiver to make an early and reliable decision based on a sequential test, before the end of the received codeword, is presented. This decision is taken when the confidence in the selected hypothesis is high enough compared to a predefined threshold. Moreover, in order to make the sequential test feasible, it is combined with a list decoder, which reduces the number of candidate codewords.

The results show that, with a blocklength of n = 500 and a coding rate of R = 0.5, the EDS reduces the average latency to 63% of the codeword time in AWGN channels for a block error rate (BLER) of 10−5. In contrast, in 2 × 2 multiple-input multiple-output (MIMO) Rayleigh block fading channels, a latency of 0.80T is achieved at 12 dB SNR and I = 1, stabilizing at 0.88T under high diversity. Overall, the thesis demonstrates that sequential schemes combined with FBL coding constitute an effective strategy for low-latency communications.

Likewise, this thesis analyzes the practical integration of the proposed EDS into multicarrier communication schemes such as orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM), as well as into multi-hop schemes. This demonstrates that the EDS maintains robustness in realistic environments for various channel conditions. The evaluation of trade-offs between reliability, latency, and complexity provides design guidelines in URLLC, particularly in mission-critical communications (MCC). It is noteworthy the use of unitary space-time modulation (USTM) in the case of the MIMO Rayleigh block-fading channel, which allows the evaluation of the proposed EDS in scenarios where the channel state information (CSI) is unknown, thus achieving a validated scheme for diverse and dynamic environments.

Titre traduit

Schémas de détection précoce basés sur des tests séquentiels probabilistes pour les communications à faible latence

Résumé traduit

Dans le contexte de la technologie de réseau cellulaire de cinquième génération (5G) et audelà, un système de communication à faible latence nécessite un compromis entre fiabilité et délai. En particulier, la communication ultra-fiable et à faible latence (URLLC) vise des applications critiques telles que la chirurgie à distance, l’Internet tactile, les véhicules autonomes et l’automatisation industrielle, où il est essentiel de transmettre des mots de code de courte longueur de bloc avec une haute fiabilité et une latence minimale. Toutefois, les techniques traditionnelles sont conçues pour des régimes asymptotiques, c’est-à-dire qu’elles reposent sur la transmission de mots de code longs. Cette thèse relève le défi de la réduction de la latence en communication en proposant un schéma de détection précoce (EDS) basé sur un test séquentiel à rapport de probabilité (SPRT), fonctionnant sans rétroaction et utilisant des mots de code courts.

En particulier, l’EDS suppose un régime à longueur de bloc finie (FBL) avec détection séquentielle probabiliste. D’abord, on caractérise la latence minimale atteignable pour les canaux avec bruit blanc additif gaussien (AWGN) et évanouissement de Rayleigh, tant dans les régimes de longueur de bloc finie qu’infinie. Les résultats montrent que, pour les canaux AWGN, une augmentation du rapport signal sur bruit (SNR) et de la largeur de bande réduit la latence. En revanche, dans les canaux à évanouissement de Rayleigh, la latence est influencée par la diversité, l’intervalle de cohérence et la surcharge liée à l’estimation du canal.

En tant que contribution principale de cette thèse, on présente la conception et l’analyse d’un EDS sans rétroaction, permettant au récepteur de prendre une décision fiable et anticipée à l’aide d’un test séquentiel, et ce, avant même la fin du mot de code reçu. Cette décision est prise lorsque la confiance dans l’hypothèse sélectionnée dépasse un seuil prédéfini. De plus, afin de rendre le test séquentiel réalisable, celui-ci est combiné à un décodeur par liste, ce qui réduit le nombre de mots de code candidats.

Les résultats montrent qu’avec une longueur de bloc de n = 500 et un taux de codage de R = 0.5, l’EDS réduit la latence moyenne à 63% de la durée du mot de code dans les canaux AWGN pour un taux d’erreur par bloc de 10−5. En revanche, dans les canaux à entrées et sorties multiples à évanouissement de Rayleigh par blocs avec une configuration 2 × 2, une latence de 0.80T est atteinte à 12 dB de SNR et I = 1, se stabilisant à 0.88T en présence d’une diversité élevée. Globalement, la thèse démontre que les schémas séquentiels combinés à un codage FBL constituent une stratégie efficace pour les communications à faible latence.

De même, cette thèse analyse l’intégration pratique du EDS proposé dans des schémas de communication multiporteuses tels que l’OFDM, ainsi que dans des schémas multi-sauts. Cela démontre que l’EDS conserve sa robustesse dans des environnements réalistes pour diverses conditions de canal. L’évaluation des compromis entre fiabilité, latence et complexité fournit des lignes directrices pour la conception dans le contexte de l’URLLC, en particulier dans les communications de type mission critique (MCC). Il convient de souligner l’utilisation du USTM dans le cas du canal MIMO à évanouissement de Rayleigh par blocs, ce qui permet d’évaluer l’EDS proposé dans des scénarios où l’information d’état du canal (CSI) est inconnue, réalisant ainsi un schéma validé pour des environnements divers et dynamiques.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 111-116).
Mots-clés libres:	communication à faible latence, communications à longueur de bloc finie, test de rapport de vraisemblance séquentiel (SPRT), schéma de détection précoce (EDS), canaux MIMO à évanouissement de Rayleigh
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Giard, Pascal
Codirecteur:	Codirecteur Gagnon, Ghyslain
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	18 août 2025 14:42
Dernière modification:	18 août 2025 14:42
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3672

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