Increasing spatial spectrum utilization through opportunistic user-to-user communications

The requirements for ubiquitous and highly reliable wireless services, combined with the low utilization of licensed spectrum, call for flexible and efficient spectrum management schemes. To this end, a lot of attention is paid in the literature on allowing secondary-external users to opportunistically access the licensed spectrum. In parallel to these efforts, the question is whether the licensed users could further improve their own spectrum utilization. In this paper, we focus on increasing the spatial spectrum utilization of an infrastructure-based wireless system by adding autonomous functionality to the primary (system) users. An opportunistic operation mode for the uplink (UL) period, totally transparent to the base station (BS) of the system, is introduced. Users operating in this mode identify spatial spectrum UL opportunities by interpreting BS broadcast messages, and exploit these opportunities by establishing direct connections. It is shown that multiple direct connections can take place in parallel with a single standard UL transmission. Moreover, significant additional throughput is achieved, and in most of the cases, the energy consumption for the direct connections is lower than that of the conventional ones (using the standard mode). © 2012 Springer Science+Business Media, LLC

Spatial spectrum reuse in heterogeneous wireless networks: interference management and access control

Διαχρονικά, η κυρίαρχη σχεδιαστική επιλογή για την βελτίωση της φασματικής απόδοσης των ασύρματων δικτύων κινητών επικοινωνιών είναι η χωρική επαναχρησιμοποίηση φάσματος, η δυνατότητα δηλαδή να επαναχρησιμοποιείται το ίδιο κομμάτι φάσματος πολλές φορές στο χώρο με την προϋπόθεση ότι διατηρούνται χαμηλά τα επίπεδα των παρεμβολών. Στα σύγχρονα δίκτυα κινητών επικοινωνιών μελετώνται δύο νέοι τρόποι χωρικής επαναχρησιμοποίησης φάσματος: α) η ανάπτυξη φεμτοκυψελών (femtocells), η ανάπτυξη δηλαδή μικρών κυψελών για εξυπηρέτηση κυρίως εσωτερικών χώρων στην ευρύτερη περιοχή κάλυψης μία κύριας κυψέλης, και β) η ενεργοποίηση επικοινωνιών συσκευής-σε-συσκευή (Device-to-Device – D2D), απευθείας δηλαδή επικοινωνιών χωρίς την διαμεσολάβηση του σταθμού βάσης της κυψέλης. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι να μελετηθούν και να αντιμετωπιστούν οι προκλήσεις που προκύπτουν από την εισαγωγή φεμτοκυψελών και την υιοθέτηση επικοινωνιών συσκευής-σε-συσκευή σε κυψελωτά δίκτυα προτυποποιημένα από την 3GPP (3rd Generation Partnership Project). Πιο συγκεκριμένα, μελετώνται τα προβλήματα της διαχείρισης του φάσματος και των παρεμβολών, καθώς και θέματα πρόσβασης στο φάσμα για Long Term Evolution (LTE) και LTE-Advanced (LTE-A) δίκτυα με φεμτοκυψέλες και με επικοινωνίες συσκευής-σε- συσκευή. Για το σκοπό αυτό, αρχικά μελετήθηκαν τα LTE/LTE-A κυψελωτά δίκτυα ως προς το φυσικό επίπεδο, την αρχιτεκτονική και τις παρεμβολές, αποτυπώνοντας και την τρέχουσα κατάσταση στο τομέα της προτυποποίησης των φεμτοκυψελών και των επικοινωνιών συσκευής-σε-συσκευή. Ακολούθησε μια συγκριτική μελέτη μηχανισμών διαχείρισης παρεμβολών σε κανάλια ελέγχου ενός LTE/LTE-A δικτύου με φεμτοκυψέλες και ένας καινοτόμος μηχανισμός ελέγχου ισχύος για μεταδόσεις φεμτοκυψελών, βασισμένος στην ποιότητα εμπειρίας στο τελικό χρήστη. Η δουλειά αυτή άνοιξε νέους ερευνητικούς ορίζοντες, όπου το επίπεδο ικανοποίησης του τελικού χρήστη παίζει ενεργό ρόλο στη διαχείριση του δικτύου και την παροχή των υπηρεσιών. Παρόλα αυτά, η περεταίρω μελέτη προς την κατεύθυνση αυτή είναι εκτός του σκοπού της παρούσας διατριβής. Στην συνέχεια, το κύριο βάρος της μελέτης μεταφέρθηκε στο πρόβλημα της διαχείρισης του φάσματος και των παρεμβολών στο πολύ πιο δυναμικό περιβάλλον ενός κυψελωτού δικτύου όπου επιτρέπονται οι επικοινωνίες συσκευής-σε-συσκευή. Σε πρώτη φάση, θεωρήθηκε ένα σύνολο από ζεύγη συσκευών που επικοινωνούν μεταξύ τους με επικοινωνίες συσκευής-σε-συσκευή και προτάθηκε ένας μηχανισμός συλλογής πληροφορίας παρεμβολών και ένα σχήμα ανάθεσης πόρων βασισμένο στη θεωρία γράφων. Το κύριο αποτέλεσμα της μελέτης αυτής ήταν πως αν και υψηλά επίπεδα χωρικής επαναχρησιμοποίησης μπορούν να επιτευχθούν, η συλλογή και η επεξεργασία πληροφορίας παρεμβολών είναι ένα πολύπλοκο πρόβλημα το οποίο απαιτεί και επιπλέον πόρους σηματοδοσίας. Έτσι, προτάθηκε και αναλύθηκε μίας λύση βασισμένη στον ανταγωνισμό. Πρακτικά οι χρήστες των επικοινωνιών συσκευής-σε-συσκευή εφαρμόζουν ένα σχήμα ανταγωνισμού όμοιο με αυτό που χρησιμοποιείται στα δίκτυα WiFi (Wireless Fidelity), προσαρμοσμένο όμως στο φυσικό επίπεδο των LTE/LTE-A δικτύων. Μαθηματική ανάλυση του σχήματος έδειξε ισχυρή εξάρτηση των επιδόσεων από το πλήθος των χρηστών που ανταγωνίζονται για το φάσμα. Σε μια προσπάθεια περιορισμού του πλήθους των ανταγωνιζόμενων χρηστών μόνο σε αυτούς που βρίσκονται σε γειτνίαση, και άρα μονό σε αυτούς που η άμεση επικοινωνία τους είναι εφικτή, μελετήθηκε το πρόβλημα της ανίχνευσης γειτονικής συσκευής. Με βάση τις τρέχουσες προδιαγραφές της 3GPP, για την επίλυση του προβλήματος ανίχνευσης γειτονικής συσκευής, μία συσκευή είτε ανακοινώνει με μετάδοση περιοδικών μηνυμάτων την παρουσία της σε μια συγκεκριμένη περιοχή, είτε αιτείται από κάποια συγκεκριμένη συσκευή πληροφορία ανίχνευσης. Υιοθετώντας τη δεύτερη περίπτωση, προτάθηκαν βελτιώσεις στο LTE/LTE-A δίκτυο πρόσβασης ώστε να επιτρέπεται η ανάθεση φάσματος για μεταδόσεις ανίχνευσης γειτονικών συσκευών. Παράλληλα, δεδομένου ότι και για τις μεταδόσεις αυτές απαιτείται η κατανάλωση φάσματος, σχεδιάστηκε και αξιολογήθηκε μία λύση βασισμένη στη χωρική επαναχρησιμοποίηση φάσματος. Το βασικό συμπέρασμα ήταν ότι λόγω των χαμηλών απαιτήσεων ποιότητας των μηνυμάτων ανίχνευσης, κάτω από ορισμένες συνθήκες πυκνότητας του δικτύου, μπορεί να επιτραπεί η χωρική επαναχρησιμοποίηση του κυψελωτού φάσματος για μεταδόσεις ανίχνευσης συσκευής.Historically, the spatial spectrum reuse has been the most efficient approach for improving cellular system capacity. Based on this observation, the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) has proposed new spatial spectrum reuse schemes, towards fulfilling the International Mobile Telecommunications-Advanced (IMT-Advanced) requirements for the 4G networks. In this direction, a major shift is realized from wide-range cells with high transmit power (macrocells) to low-power small-sized cells (femtocells), while a lot of effort is allocated to the spatial spectrum reuse by enabling Device-to-Device (D2D) communications, i.e., direct communications in a cellular network, without the intervention of the base station. The scope of this thesis is to deal with challenges arising from the introduction of femtocells and D2D communications in cellular networks standardized by 3GPP Release 8 and beyond, i.e., Long Term Evolution (LTE) and LTE-Advanced (LTE-A). More specifically, for the case of femtocells, the interference management problem is studied, while for the D2D communications the radio resource management and the spectrum access challenges are addressed. First, a comprehensive description of the physical layer and architecture of the LTE/LTE-A networks is provided, and the current standardization efforts for the introduction of femtocells and D2D communications are described. Subsequently, different control channel interference management schemes for femtocell-overlaid LTE/LTE-A networks are studied, while an innovative power control scheme for the femtocell downlink transmissions is proposed, utilizing the end user’s quality of experience. This work brings to the surface new research challenges, where the end user’s satisfaction level plays an active role in network management and service provisioning. However, the further investigation of these challenges is out of this thesis’ scope. Considering the much more dynamic environment defined by the D2D communications in a cellular network, the major research effort is then shifted to the resource and interference management problem for D2D communications. Assuming a predefined set of D2D pairs in a cellular network, an interference information collection mechanism and a D2D resource allocation scheme, based on the graph-coloring theory, are proposed. Evaluation results showed that even high spatial spectrum reuse levels can be achieved, the interference collection and processing problem is quite complex, while additional signaling is needed. Taking this into account, a contention-based approach is proposed. Under this approach, the D2D devices compete for accessing the spectrum following a procedure similar with that used in WiFi (Wireless Fidelity) networks. Performance analysis shows that the efficiency of the proposed scheme depends on the number of competing devices. Towards restricting the number of competing devices, only to those that are in proximity and, thus, in valid positions for D2D communication, the device discovery problem is studied. According to the 3GPP standardization efforts, the solution of the device discovery problem requires frequent transmission of discovery signals from each device, either announcing its presence in a specific area, or requesting discovery information from a target device. Adopting the second option, enhancements in the 3GPP standardized access network are proposed, enabling a resource request / allocation procedure for device discovery transmissions. In parallel, a spatial spectrum reuse scheme is designed and evaluated, as an effort to reduce the consumption of radio resources for discovery transmissions. Analytical and simulation results show that, under certain conditions for the network density, a number of discovery transmissions can be enabled in a multi-cellular network even if no interference information is available