The integration of device-to-device communication in future cellular systems

Mahdi, Ali Haider

The usage of mobile data services over cellular spectrum has been dramatically increased in the last decade. The increment led to an explosive growth in user’s booming data demands over the cellular spectrum band. However, the current technologies have a limitation in the allocated spectrum resources, compared to the data demands. This leads to insufficient throughput using the current technologies in the next few years. Improving the throughput with user’s data demands necessitates finding an efficient approach to offload data booming. Device-to-Device (D2D) communication has been proposed as an unconventional mobile paradigm with a scalable manner to offload the mobile data traffic of the local peer-to-peer mobile users by sharing the resources the cellular networks without traversing the base stations. Applying such paradigm increases the spectrum utilization which improves the total throughput in a given cell. However, many issues negatively influence the performance of D2D communication over the cellular spectrum band such as interference from the cellular users, the low activity of the cellular users over the allocated resources in time which reduces spectrum utilization and the dynamic cellular environment which impacts the link performance of D2D communication and may leads to not meet the desired quality of service requirements of the data services. Solving the aforementioned issues requires: i) developing the appropriate access paradigms of the D2D communication to meet the desired quality of service requirements of mobile data services; ii) increasing the spectrum utilization of licensed band by enabling unlicensed users to invest the spectrum holes; and iii) developing the link adaptation processes to overcome the dynamic behavior of the cellular system and improve the throughput in D2D communication links. This dissertation presents the aforementioned solutions for the D2D communication which improve the total throughput in the cell. The dissertation has three main contributions: i) position-based hybrid access paradigm for D2D communication; ii) hybrid access paradigm for unlicensed peer-to-peer users (unlicensed D2D communication); and iii) an algorithm for link adaptation of unlicensed D2D communication. First, the thesis develops a position-based model for maximizing the throughput of D2D communication using different access paradigms. This model defines the regions in the cell in which the D2D communication can be performed with the desired QoS. Then, a position-based hybrid access paradigm is presented which selects a given access paradigm used by D2D pairs in order to improve the total throughput in the cell. The proposed access paradigms are evaluated using numerical simulations and the results show improvements in the total throughput and the number of satisfied D2D communications in the cell, compared to recent access paradigms. Second, an integration of cognitive radio technology with the unlicensed D2D pairs to apply dynamic spectrum access is presented. The recent access paradigms of cognitive radio and their achievable throughput are studied. Then, a position-based hybrid access paradigm is introduced to increase the regions of unlicensed D2D communication. The evaluation of the proposed access paradigm is performed using numerical simulations. The results show improvement in the throughput over the cell and the area used by unlicensed D2D communications, compared to recent access paradigms. Third, the dynamic behavior of the cellular environment and its interaction with the unlicensed D2D communication is studied. One possible solution presented applying artificial intelligence technique as a cognitive engine to perform link adaptation efficiently. Based on this study, a Self-Organized Link Adaptation (SOLinA) algorithm is presented to adapt the link of unlicensed D2D communication autonomously and determine the link configuration which improves the throughput of the system. The evaluation of the proposed algorithm is performed using simulations of unlicensed D2D communication within dynamic cellular environment. The results of the simulations show that SOLinA outperforms the previous work in the throughput under different separations between the unlicensed D2D communication, different cellular system requirements and at different user’s positions in the cell.

In der letzten Dekade nahm der Einsatz mobile Datendienste in zellularen Netzen stark zu und führte zu einem exponentiellen Anstieg der Nutzerdaten. Die aktuellen Technologien weisen jedoch, bezogen auf das geforderte Datenvolumen, Einschränkungen auf, die auch in den kommenden Jahren zu einem unzureichenden Durchsatz führen werden. Die Erhöhung des Durchsatzes für Nutzerdaten erfordert die Suche nach einem effizienten Ansatz um das steigende Datenvolumen zu bewältigen. Ein möglicher Ansatz ist Device-to-Device (D2D) Kommunikation als ein unkonventionelles, mobiles Paradigma, das hohen Datenverkehr skalierbar auf lokale Peer-to -Peer- Anwender überträgt. Dabei werden die Ressourcen zwischen D2D- und zellularen Nutzern aufgeteilt, wobei der D2DDatenverkehr direkt zwischen Endgeräten, d.h. ohne Einsatz der Basis Station erfolgt. Dadurch kann das Frequenzspektrum effizienter genutzt, und somit der Gesamtdurchsatz der Zelle erhöht werden. Zugleich wirken sich mehrere Faktoren negativ auf den Durchsatz der D2D-Kommunikation im zellularen Spektralband aus, wie z. B. die Interferenz zellularer Endgeräte, die weiterhin direkt mit der Basisstation kommunizieren. Zusätzlich reduziert geringe Aktivität der zellularen Endgeräte über die zugewiesenen Ressourcen die Spektraleffizienz, mit negativer Auswirkung auf den Durchsatz der D2DVerbinding. Das kann dazu führen, dass die gewünschte Qualität des Datendiensts nicht erreicht wird. Die Lösung der oben genannten Probleme erfordert: i) die Entwicklung entsprechender Zugriffsmechanismen für die D2D-Kommunikation, um die gewünschte Qualität der Service-Anforderungen mobiler Datendienst zu erreichen; ii) die Auslastung des Funkspektrums des lizenzierten Bands zu erhöhen, indem nicht lizenzierten Nutzern temporär freie Bereiche des Spektrums verwenden; und iii) die Entwicklung eines Prozesses zur Link-Adaption unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens des zellularen Systems, so dass sich der Durchsatz der D2D-Verbindung erhöht . Die vorliegende Arbeit stellt die oben genannten Lösungen für die D2D-Kommunikation, die den Gesamtdurchsatz in der Zelle erhöhen sollen, vor. Die Hauptbeiträge sind: i) ein positionsbasierter, hybrider Zugriffsmechanismus für die D2D-Kommunikation; ii) ein hybrider Zugriffsmechanismus für unlizenzierte Peer-to-Peer Nutzer (unlizenzierte D2D-Kommunikation); und iii) ein Algorithmus zur Link-Adaption der unlizenzierten D2D-Kommunikation. Zuerst wird in dieser Arbeit ein positions-basiertes Modell entwickelt, um den Durchsatz der D2D-Kommunikation zu maximieren, wobei unterschiedliche Zugriffsmechanismen eingesetzt werden. Im Modell werden die Regionen in der Zelle definiert, in der die D2D-Kommunikation mit der gewünschten Service-Qualität (QoS) durchgeführt werden kann. Anschließend wird ein positionsbasierter, hybrider Zugriffsmechanismus vorgestellt, der beim Einsatz für ein D2D-Paar zur Erhöhung des Gesamtumsatzes der Zelle führt. Die vorgeschlagenen Zugriffsmechanismen werden durch numerische Simulationen evaluiert. Die Ergebnisse zeigen Verbesserungen im Gesamtdurchsatz und der Anzahl der zufriedenen D2D-Kommunikationen in der Zelle. Als nächster Schritt wird kognitive Funktechnik (Cognitive Radio) in das unlizenzierte D2D-Paar integriert, wodurch ein dynamischer Zugriff auf das Funkspektrum erreicht wird. Die neu eingeführten Zugriffsmechanismen und der jeweilig erreichbare Durchsatz werden untersucht. Als Ergebnis wird ein positionsbasierter, hybrider Zugriffsmechanismus eingeführt, um die Regionen mit unlizenzierter D2D-Kommunikation zu vergrößern. Zur Evaluierung des vorgeschlagenen Zugriffsmechanismus werden numerische Simulationen eingesetzt. Die erzielten Ergebnisse weisen Verbesserungen im Durchsatz, sowohl innerhalb der Zelle, als auch in der unlizenzierten D2D-Kommunikation, nach. Als letzter Schritt wird das dynamische Verhalten der zellularen Umgebung, sowie ihrer Interaktion mit der unlizenzierten D2D-Kommunikation untersucht. Als eine mögliche Lösung wird der Einsatz künstlicher Intelligenz als eine kognitive Maschine vorgestellt, um die Funkverbindung effizient zu adaptieren. Auf Basis der Studie wird der Algorithmus „Self-Organized Link Adaptation” (SOLinA) vorgestellt, um die Funkverbindung der unlizenzierten D2D-Kommunikation autonom anzupassen und die Verbindungskonfiguration so anzupassen, dass der Systemdurchsatz erhöht wird. Evaluiert wird der vorgeschlagene Algorithmus durch Simulationen der unlizenzierten D2D-Kommumikation innerhalb einer dynamischen zellularen Umgebung. Die neuesten Simulationsergebnisse zeigen, dass SOLinA die zuvor erzielten Ergebnisse beim Durchsatz, sowohl für unterschiedliche Konstellationen der unlizenzierten D2D-Kommunikation, als auch für unterschiedliche Anforderungen an das zellulare System und für variierende Positionen der Nutzer in der Zelle übertrifft.

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Mahdi, Ali Haider: The integration of device-to-device communication in future cellular systems. Ilmenau 2017.

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