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Tesi etd-01042017-115503


Thesis type
Tesi di dottorato di ricerca
Author
NARDINI, GIOVANNI
URN
etd-01042017-115503
Title
Architectures and algorithms for device-to-device communications in LTE-Advanced networks
Settore scientifico disciplinare
ING-INF/05
Corso di studi
INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE
Commissione
tutor Prof. Stea, Giovanni
tutor Prof. Mingozzi, Enzo
Parole chiave
  • optimization
  • lte
  • resource allocation
  • d2d
Data inizio appello
21/01/2017;
Consultabilità
parziale
Data di rilascio
21/01/2020
Riassunto analitico
Le comunicazioni device-to-device (D2D) assistite dalla rete permettono agli utenti cellulari di comunicare direttamente quando sono nel rispettivo raggio di trasmissione senza passare attraverso l’eNodeB, mentre quest’ultimo mantiene il controllo sull’allocazione delle risorse. Queste sono considerate come una delle tecnologie abilitanti per fornire servizi di prossimità ad alte prestazioni, in LTE-Advanced e nelle future reti di quinta generazione (5G).<br>Nel presente lavoro, verranno proposte e valutate architetture e algoritmi per le comunicazioni D2D, sia uno a uno che uno a molti.<br>Innanzitutto, verrà descritta la modellazione del D2D in un simulatore di sistema, vale a dire SimuLTE, che permette di analizzare le prestazioni di applicazioni e protocolli di alto livello che usano il D2D.<br>Poi, verrà esplorata l’allocazione delle risorse per le comunicazioni D2D uno a uno e presentato un framework per i) selezionare quali flussi dovrebbero usare la modalità di comunicazione diretta, e quando, e ii) allocare risorse a utenti D2D e non, rendendo possibile la condivisione delle risorse frequenziali per la prima categoria di utenti. I risultati simulativi mostrano che il framework proposto è fattibile nella pratica, incrementa il throughput e riduce le latenze di comunicazione. Inoltre, verrà mostrato che i due problemi, sebbene apparentemente simili, dovrebbero essere affrontati separatamente e risolti a diverse scale temporali per evitare problemi quali l’eccessiva perdita di pacchetti dovuta a frequenti cambi di modalità di comunicazione. Verranno progettate anche due architetture per mitigare o risolvere questo problema. Tali proposte sono scalabili e economiche, in quanto non richiedono segnalazione extra o l’aggiunta di nuove funzionalità alla rete.<br>Infine, verranno considerate le comunicazioni D2D uno a molti, combinate per funzionare in modalità multihop al fine di distribuire messaggi di broadcast verso aree (eventualmente vaste) definite dagli utenti con piccoli ritardi e occupando poche risorse radio. Verranno descritte le modifiche necessarie sugli User Equipment e sull’eNodeB, quali sono le principali sfide tecniche e come è possibile risolverle efficientemente. Inoltre, verrà proposto e valutato un algoritmo di broadcasting innovativo basato su modelli probabilistici, dimostrando che anche grandi aree possono essere coperte interamente in poche decine di millisecondi. <br><br>Network-controlled device-to-device (D2D) communications allow cellular users to communicate directly when they are in the hearing range of each other, i.e., without passing through the eNodeB, while the latter retains control over resource allocation. This is envisaged as a technology enabler for providing high-performance, proximity-based services in LTE-Advanced and future 5G networks.<br>In this work, we propose and evaluate architectures and algorithms for both one-to-one and one-to-many D2D communications.<br>We start by describing the modeling of D2D into a system-level simulator, namely SimuLTE, which enables us to analyze the performance of applications and higher-layer protocols using D2D transmissions.<br>Then, we explore resource allocation for one-to-one D2D communications and present a framework for: i) selecting which flows should use the direct link, and when, and ii) allocating resources to D2D and non-D2D users, enabling sharing of frequency resources for the former. Simulation results show that our framework is practically viable, it increases throughput and reduces latencies. Moreover, we show that the two problems, although apparently similar, should be addressed separately and solved at different timescales to avoid problems, such as excessive packet loss due to frequent mode switches. We also design two architectures to mitigate or solve this problem. Our proposals are scalable and inexpensive, since they do not require extra signaling or new functionalities to be added to the network.<br>Finally, we consider one-to-many D2D communications and combine them in a multihop fashion to distribute broadcasts over user-defined (and possibly large) areas, with small delays and occupying few radio resources. We describe the necessary modifications at both the User Equipments and the eNodeB, what the main challenges are, and how to solve them efficiently. In addition, an innovative broadcasting algorithm based on probabilistic models is proposed and evaluated, demonstrating that even large broadcast areas can be covered in few tens of milliseconds.
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