Device-to-device communication : effects of using spatial spectrum sensing and dual band networks

Orientador: Paulo CardieriDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: A técnica comunicação Device-to-Device (D2D) é considerada como uma das tecnologias candidatas para a implementação de sistemas celulares de quinta geração (5G). Basicamente, essa técnica permite a comunicação direta entre dois terminais de usuário que estejam próximos entre si, sem, assim, usar a estação rádio base (BS, Base Station). A técnica D2D tem a capacidade de fornecer altas taxas de dados com menor consumo de energia, devido à menor distância do enlace entre transmissor e receptor. Essas características tornam-se atraentes para os pesquisadores que estão na busca de tecnologias capazes de atender o alto tráfego de dados que atualmente circula nas redes sem fio, e garantir os padrões de qualidade de serviço (QoS, Quality of Service) esperados pelos usuários. Esse presente trabalho estuda a técnica de comunicação D2D em uma rede celular no modo underlay de compartilhamento de canal, isto é, quando um canal uplink da rede celular é compartilhado entre terminais operando no modo convencional, isto é, conectados às BS, e terminais operando no modo D2D. Com essa forma de compartilhamento de canal, a interferência entre os enlaces celulares e D2D pode degradar o desempenho da rede. Para controlar o nível de interferência, assume-se que os terminais operando no modo D2D utilizam a técnica de spectrum sensing (SS) para detectar o estado do canal (livre ou ocupado), antes de iniciar a sua transmissão. São considerados nesse estudo dois cenários de uso do spectrum sensing. No Cenário I, os terminais D2D usam SS para evitar a interferência entre eles e os terminais celulares. Nesse sentido, como consequência do processo de SS, as posições dos transmissores D2D podem ser modeladas pelo processo pontual chamado Poisson Hole Process. No Cenário II, o processo de spectrum sensing empregado pelos terminais D2D é usado para detectar o uso do canal não apenas por algum terminal celular, mas também por algum terminal D2D. O processo pontual resultante que modela os transmissores D2D neste cenário é uma versão do chamado processo Matérn Point Process. Para esses dois cenários são derivadas expressões de probabilidade de outage para os enlaces celulares e enlaces D2D, empregando ferramentas de Geometria Estocástica, usando os processos pontuais mencionados. Com base nessas expressões de probabilidade de outage, é apresentada uma análise do desempenho da rede celular-D2D. Outra tecnologia atraente para sistemas 5G é a comunicação na faixa de ondas milimétricas, uma vez que tal faixa apresenta uma largura de banda maior, permitindo altas taxas de dados. No entanto, a comunicação na banda de ondas milimétricas requer linha de visada, sendo, portanto, altamente susceptível a bloqueio do enlace devido às condições de propagação. Esse trabalho estuda também a comunicação D2D em um cenário em que os terminais podem operar nas bandas de ondas milimétricas e microondas, combinado com um esquema de retransmissão de pacotes. No cenário estudado aqui, os terminais D2D operam prioritariamente na banda de ondas milimétricas, mas quando as condições de propagação nessa banda se deterioram, eles podem mudar para a banda de microondas, como uma tentativa de melhorar o desempenho geral. Também usando elementos de geometria estocástica, são derivadas expressões de probabilidade de outage para a comunicação nas duas bandas, e uma análise do desempenho desse esquema de transmissão é investigadoAbstract: Device-to-Device Communication is deemed as one of the key technologies for the fifth generation of cellular systems (5G). Basically, this strategy of communication allows user terminals to communicate directly with each other, without any assistance from base stations. Device-to-device communication is capable of providing high data rate, coverage extension, and reduced energy consumption. Due to the shorter distance of the link between transmitter and receiver. These features are attractive to researchers who are searching for technologies can handle the high data traffic that currently circulates on wireless networks, and ensures the quality of service standards (QoS), expected by users. This present work investigates the performance of an underlay D2D cellular network, in which D2D terminals and cellular terminals share the same uplink channel. In order to control the level of interference, we assume that D2D terminals employ spectrum sensing (SS) in order to detect the presence of other transmission on the target channel. Two scenarios are considered regarding the use of spectrum sensing. In Scenario I, the D2D terminals employ SS to avoid interference between them and cellular terminals. Therefore, the locations of D2D transmitters can be modeled by a Poisson Hole Process. In Scenario II, spectrum sensing is used to control the interference among D2D terminals and cellular terminals, as in Scenario I, and the interference among D2D terminals. In this scenario, the locations of D2D terminals are better modeled by a version of the Matérn Point Process. Using elements of Stochastic Geometry, expressions for outage probabilities in both scenarios are derived and used in the performance analysis of these two scenarios. Another attractive technology for 5G cellular systems is millimeter-wave communication, due to the availability of large bandwidth at this frequency band, allowing for a high data rate. However, the communication in the millimeter wave band is highly susceptible to link blockage, degrading the communication performance. In this work, we investigate the performance of a D2D network in which terminals can operate either in the millimeter-wave band or in the microwave band, combined with a packet retransmission scheme and beam-forming. The terminals primarily operate in the millimeter-wave band, and when the propagation conditions deteriorate, they can switch to the microwave band as an attempt to improve the overall performance. Using tools from Stochastic Geometry, the performance of this communication strategy is investigatedMestradoTelecomunicações e TelemáticaMestra em Engenharia ElétricaCAPE