Multiple resource reuse for device-to-device communication in future cellular networks

Waswa, Abubaker Matovu GND

Aufgrund der stärkeren Verbreitung neuer mobiler Anwendungen, z.B. Autonomes Fahren, automatisierte Prozesssteuerung, intelligente Städte / Wohnen und taktiles Internet, nimmt - die Anzahl und Dichte von Geräten, die drahtlose Verbindungen erfordern, immer weiter zu. Dies erfordert effizientere Verfahren zur Nutzung des verfügbaren Frequenzspektrums für zellulare Netze. Um dieser Herausforderung zu begegnen, wurden Ansätze, wie die gemeinsame Nutzung von Frequenzen, vorgeschlagen, um die gesamte spektrale Effizienz zu verbessern. Die Device-to-Device Kommunikation (D2D) mit paralleler Übertragung zu einem zellularen Netz bietet eine Verbesserung der spektralen Effizienz durch die verstärkte gemeinsame Nutzung des verfügbaren zellularen Spektrums. Mit D2D kommunizieren Geräte in unmittelbarer Nähe direkt miteinander ohne oder mit nur einer minimalen Kontrolle über das Mobilfunknetz. Das 3rd Generation Partnership Project (3GPP) unterstützt durch Standardisierung die Integration von D2D in Mobilfunknetze, um die spektralen Effizienzgewinne bei der gemeinsamen Nutzung von Frequenzen unter Gewährleistung der Quality of Service (QoS) zu realisieren. Die Interferenzen zwischen D2D und zellularen Benutzern müssen jedoch während der gemeinsamen Nutzung des Spektrums kontrolliert werden, um diese Gewinne im Netzwerk zu erhalten. Die vorliegende Arbeit untersucht Lösungen, mit denen das Frequenzspektrum des Mobilfunknetzes mit D2D-Benutzern geteilt werden kann, welche sowohl die spektrale Effizienz maximieren als auch die QoS-Anforderungen aller Benutzer erfüllen (in Bezug auf das Signal-zu-Rausch-plus-Interferenz Verhältnis (SINR)). Die vorliegende Arbeit gliedert sich in zwei Teile: eine analytische und eine algorithmische Studie. Zunächst untersucht die analytische Studie den Ansatz für ein Interferenzmanagement, in welchem mehrere D2D-Benutzer das zellulare Spektrum gemeinsam nutzen. Dabei wird die Zuteilung einer einheitlichen Interferenzleistung (UIP) vorgeschlagen - ein Verfahren, bei dem alle D2D-Benutzer mit gleicher Interferenz an der Basisstation (BS) beitragen. Dieses Schema wird auf ein Szenario einer einzelnen Zelle angewendet, welches sehr positive Ergebnisse bei der Verbesserung der spektralen Effizienz erzielt, obwohl einige D2D-Benutzer ihre SINR-Schwellenwerte nicht erreichen können. Eine wesentliche Erkenntnis aus der analytischen Studie ist, dass eine räumliche Trennung zwischen Benutzern, die das Spektrum gemeinsam nutzen, wichtig ist, um ihre gegenseitige Beeinflussung zu minimieren. Die algorithmische Studie konzentriert sich daher auf die Auswahl geeigneter D2D-Benutzern. Zunächst werden räumliche Auswahlkriterien formuliert mit dem Ziel, mehrere D2D-Benutzer zu identifizieren, die das Spektrum eines bestimmten Mobilfunkbenutzers gemeinsam nutzen können, um die spektrale Effizienz zu maximieren, während alle Benutzer ihre SINR-Schwellenwerte erreichen. Danach werden basierend auf diesen Kriterien zwei Auswahlalgorithmen entwickelt. Der erste Algorithmus wählt opportunistisch D2D-Benutzer aus, die bei bestimmten Auswahlinstanzen die geringste Störung für andere das Spektrum gemeinsam nutzende Benutzer verursachen. Der zweite Algorithmus wählt zufällig alle D2D-Benutzer aus, die räumliche von anderen Benutzern getrennt sind, jedoch das Spektrum gemeinsam nutzen. Beide Algorithmen werden mit sehr positiven Ergebnissen durch Simulationen in einem Szenario einer einzelnen Zelle mit einer unterschiedlichen Anzahl von Benutzern vorgestellt. In einem Szenario mit mehreren Zellen, in welchem die Interferenz zwischen den Zellen die Leistungsfähigkeit beeinträchtigt, werden Verbesserungen an beiden Algorithmen vorgestellt, um die festgelegten Ziele zu erreichen. Diese Verbesserungen passen die Auswahlkriterien an, um: 1) keine D2D-Benutzer mit Zellenkante auszuwählen und 2) die Auswirkungen der gemeinsamen Nutzung des Frequenzspektrums zwischen benachbarten Zellen zu berücksichtigen. Die Arbeit zeigt deutlich, dass mithilfe eines geeigneten Auswahlkriteriums mehrere D2D Nutzer in der Lage sind, die gemeinsame Frequenzressource mit zellularen Nutzern zu teilen mit Erhöhung der gesamten spektralen Effizienz und Beibehaltung der QoS Anforderungen aller Nutzer. Die hierbei erbrachten Erkenntnisse können zusammen mit den vorhandenen Ergebnissen als Ausgangspunkt für weitere akademische Forschung sowie einer praktischen Anwendung dienen.

Owing to the further proliferation of new mobile applications, e.g. autonomous driving, automated process control, smart cities/homes, and tactile internet, the number and density of devices requiring wireless connectivity continue to increase. This demands ever more efficient methods for utilizing the available frequency spectrum for cellular networks. To counter this challenge, approaches like spectrum sharing have been proposed as enablers to improve the overall spectral efficiency. Device to device communication (D2D) as an underlaying transmission to the cellular network presents spectral efficiency improvements through the increased sharing of the available cellular spectrum. In D2D, devices in close proximity communicate directly with each other having either minimal or no control from the cellular network.
The third generation partnership project (3GPP) supports, through standardization, the integration of D2D within cellular networks in order to realize the spectral efficiency gains during spectrum sharing and user quality of service (QoS) guarantees. However, the interference between D2D and cellular users during spectrum sharing must be controlled to get these gains in the network. This thesis studies the solutions through which the cellular network's frequency spectrum can be shared with D2D users to concurrently maximize the spectral efficiency and achieve all users' QoS requirements (in terms of threshold signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR)).
The thesis is divided into two parts: an analytical study and an algorithmic study. First, the analytical study evaluates the framework for interference management when several D2D users share the cellular network's spectrum. Therein, uniform interference power (UIP) allocation -- a scheme where all D2D users contribute equal interference at the base station (BS), is proposed. This scheme is applied to a single-cell scenario with very positive results in improving spectral efficiency although some D2D users are unable to achieve their threshold SINRs.
The main lesson from the analytical study is that spatial separation between users sharing spectrum is important to minimize their mutual interference. So the algorithmic study focuses on D2D-users selection. First, spatial selection criteria are formulated with the objective of identifying multiple D2D users that can share a given cellular user's spectrum to maximize spectral efficiency while all users achieve their threshold SINRs. Thereafter, based on these criteria, two selection algorithms are developed. The first algorithm opportunistically selects D2D users causing the least interference, at given selection instances, to other users sharing the spectrum. The second algorithm randomly selects any D2D users meeting the minimal required spatial separation from other users sharing the spectrum. Both algorithms are presented with very positive results in simulations that consider a single-cell scenario with varying number of users. In a multi-cell scenario, where the experienced inter-cell interference degrades performance, enhancements to both algorithms are applied to achieve the set objectives. These enhancements adapt the selection criteria to: $1$) not select cell-edge D2D users and $2$) take into account the effects of spectrum sharing between neighbouring cells.
The thesis studies clearly showed that, using appropriate selection criteria, multiple D2D users can share a specific cellular user's spectrum resources to improve the network's spectral efficiency and achieve all users' QoS requirements. These findings together with other existing results on D2D spectrum resource reuse can be the starting point for further academic research and practical implementation.

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