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Título: Radio resource management for single and two-hop device-two-device communications
Autor(es): Silva Junior, José Mairton Barros da
Orientador(es): Maciel, Tarcísio Ferreira
Coorientador(es): Fodor, Gábor
Palavras-chave: Teleinformática
Agrupamento
Controle de Potência
Data do documento: 30-Out-2014
Citação: SILVA JUNIOR, J. M. B. (2014)
Resumo: O aumento da demanda por serviços ricos em multimídia e a escassez do espectro eletromagnético têm motivado a pesquisa de tecnologias capazes de aumentar a capacidade de sistemas sem fio sem requerer espectro adicional. Nesse contexto, comunicações Dispositivo-a-Dispositivo (D2D, do inglês Device-to-Device) representam uma tecnologia promissora. Ao permitir comunicação direta e de baixa potência entre os dispositivos, comunicações D2D levam a um maior e mais inteligente reuso dos recursos de rádio, permitindo um descongestionamento da rede de transporte de dados. Como resultado, a capacidade total do sistema e especialmente a eficiência espectral são aumentadas; e a proximidade entre os dispositivos permitem transferências de dados com baixo atraso e altas taxas de dados, sem requerer potência extra da bateria dos dispositivos. Entretanto, com o objetivo de tornar real os potenciais ganhos de comunicações D2D como uma rede secundária da celular (primária), algumas questões chave precisam ser controladas. Assumindo que os dispositivos se comunicando estão cientes um do outro, a condição do enlace (canal) deve ser avaliada. Caso seja benéfica, técnicas de Gestão de recursos de rádio (RRM, do inglês Radio Resource Management) são empregadas para que a interferência co-canal causada nos dispositivos celulares seja mitigada. Tais técnicas podem ser resumidas como: agrupamento, seleção de modo e controle de potência. Nessa dissertação, eu foco a minha atenção para RRM em comunicações D2D subjacentes a redes LTE, e para as principais técnicas de RRM para mitigar a interferência co-canal. Objetivando a redução da interferência intra-celular e na melhoria da eficiência espectral, eu formulo um problema conjunto de agrupamento e controle de potência. Entretanto, devido à sua complexidade eu proponho métodos sub-ótimos para agrupar usuários celulares e D2D com o objetivo de minimizar a interferência intra-celular, levando em conta a ortogonalidade espacial entre os usuários que compartilham o recurso. Além disso, eu analiso métodos para decidir se um candidato D2D deveria se comunicar diretamente ou de modo convencional através da estação rádio-base (eNB, do inglês Evolved Node B). Os resultados mostram que comunicações D2D conseguem melhorar a eficiência espectral do sistema e que a maioria dos ganhos pode ser alcançada agrupando de forma adequada os usuários para compartilhar recursos baseando-se em projeções sucessivas e ortogonais, assim como combinando diferentes métricas de compatibilidade espacial. Além disso, nessa dissertação eu argumento que tecnologias D2D podem ser usadas para aumentar ainda mais a eficiência espectral e energética se os parâmetros chave dos algoritmos de RRM forem adequadamente estendidos para comunicações D2D em múltiplos saltos. Especificamente, eu proponho um novo algoritmo distribuído de controle de potência baseado em maximização da utilidade que é capaz de equilibrar eficiência espectral e energética, enquanto leva em consideração a seleção de modo e restrições na alocação de recursos inerentes à integração do ambiente celular-D2D. Os resultados numéricos mostram que comunicações D2D em múltiplos saltos combinadas com o algoritmo de controle de potência proposto são úteis não apenas para colher os potenciais ganhos identificados na literatura, mas também para estender a cobertura de redes celulares
Abstract: The increasing demand for fast multimedia services and the scarcity of electromagnetic spectrum has motivated the research of technologies able to increase the capacity of wireless systems without requiring additional spectrum. In this context, Device-to-Device (D2D) communication represents a promising technology. By enabling direct and low-power communication among devices, D2D communication leads to an increased and intelligent spatial reuse of radio resources allowing to offload the data transport network. As a result, the overall system capacity and specially the spectral efficiency is increased; and the proximity between devices allows data transfer with low delays and high rates without requiring extra power from devices’ batteries. However, in order to realize the potential gains of D2D communications as a secondary network of the cellular (primary) one, some key issues must be tackled. Assuming that the communicating devices are aware of each other, the actual link (channel) conditions must be evaluated. If beneficial, Radio Resource Management (RRM) techniques would be employed so that the co-channel interference caused in cellular devices would be mitigated. Such techniques may be summarized as: grouping, mode selection, and power control. In this thesis, I focus my attention on the RRM for D2D communications underlaying a Long Term Evolution (LTE)-like network, and the main RRM techniques to mitigate the co-channel interference. Aiming at the reduction of the intra-cell interference and at the improvement of spectral efficiency, I formulate a joint grouping and power allocation problem. However, due to its complexity I propose suboptimal methods to group cellular and D2D User Equipments (UEs) with the goal of minimizing intra-cell interference, taking into account spatial orthogonality between the UEs that share the same resources. In addition, I analyze methods to decide if D2D-capable UEs should communicate directly to one another or in the conventional way via the Evolved Node B (eNB). The results show that D2D communications can improve the spectral efficiency of the system and that most of this improvement can be achieved by suitably grouping the UEs for sharing resources based on successive orthogonal projections and matching different spatial compatibility metrics. Moreover, in this thesis I argue that D2D technology can be used to further increase the spectral and energy efficiency if the key D2D RRM algorithms are suitably extended to support network assisted multi-hop D2D communications. Specifically I propose a novel, distributed utility maximizing power control (PC) scheme that is able to balance spectral and energy efficiency while taking into account mode selection and resource allocation constraints that are important in the integrated cellular-D2D environment. The analysis and numerical results indicate that multi-hop D2D communications combined with the proposed PC scheme can be useful not only for harvesting the potential gains previously identified in the literature, but also for extending the coverage of cellular networks
Descrição: SILVA JUNIOR, J. M. B. Radio resource management for single and two-hop device-two-device communications. 2014. 77 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Teleinformática) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2014.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/11072
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