Review on Radio Resource Allocation Optimization in LTE/LTE-Advanced using Game Theory

Recently, there has been a growing trend toward ap-plying game theory (GT) to various engineering fields in order to solve optimization problems with different competing entities/con-tributors/players. Researches in the fourth generation (4G) wireless network field also exploited this advanced theory to overcome long term evolution (LTE) challenges such as resource allocation, which is one of the most important research topics. In fact, an efficient de-sign of resource allocation schemes is the key to higher performance. However, the standard does not specify the optimization approach to execute the radio resource management and therefore it was left open for studies. This paper presents a survey of the existing game theory based solution for 4G-LTE radio resource allocation problem and its optimization

Radio resource allocation for overlay D2D-based vehicular communications in future wireless networks

Mobilfunknetze der nächsten Generation ermöglichen einen weitverbreiteten Einsatz von Device-to-Device Kommunikation, der direkten Kommunikation zwischen zellularen Endgeräten. Für viele Anwendungsfälle zur direkten Kommunikation zwischen Endgeräten sind eine deterministische Latenz und die hohe Zuverlässigkeit von zentraler Bedeutung. Dienste zur direkten Kommunikation (D2D) für in der Nähe befindliche Endgeräte sind vielversprechend die hohen Anforderungen an Latenz und Zuverlässigkeit für zukünftige vertikale Anwendungen zu erfüllen. Eine der herausragenden vertikalen Anwendungen ist die Fahrzeugkommunikation, bei der die Fahrzeuge sicherheitskritische Meldungen direkt über D2D-Kommunikation austauschen, die dadurch zur Reduktion von Verkehrsunfällen und gleichzeitig von Todesfällen im Straßenverkehrt beiträgt. Neue Techniken zur effizienteren Zuweisung von Funkressourcen in der D2D-Kommunikation haben in letzter Zeit in Industrie und Wissenschaft große Aufmerksamkeit erlangt. Zusätzlich zur Allokation von Ressourcen, wird die Energieeffizienz zunehmend wichtiger, die normalerweise im Zusammenhang mit der Ressourcenallokation behandelt wird. Diese Dissertation untersucht verschiedener Ansätze der Funkressourcenzuweisung und Energieeffizienztechniken in der LTE und NR V2X Kommunikation. Im Folgenden beschreiben wir kurz die Kernideen der Dissertation. Meist zeichnen sich D2D-Anwendungen durch ein relativ geringes Datenvolumen aus, die über Funkressourcen übertragen werden. In LTE können diese Funkressourcen aufgrund der groben Granularität für die Ressourcenzuweisung nicht effizient genutzt werden. Insbesondere beim semi-persistenten Scheduling, bei dem eine Funkressource über einen längeren Zeitraum im Overlay D2D festgelegt wird, sind die Funkressourcen für solche Anwendungen nicht ausgelastet. Um dieses Problem zu lösen, wird eine hierarchische Form für das Management der Funkressourcen, ein sogenanntes Subgranting-Schema, vorgeschlagen. Dabei kann ein nahegelegener zellularer Nutzer, der sogenannte begünstigte Nutzer, ungenutzten Funkressourcen, die durch Subgranting-Signalisierung angezeigt werden, wiederzuverwenden. Das vorgeschlagene Schema wird bewertet und mit "shortening TTI", einen Schema mit reduzierten Sendezeitintervallen, in Bezug auf den Zellendurchsatz verglichen. Als nächster Schritt wird untersucht, wie der begünstigten Benutzer ausgewählt werden kann und als Maximierungsproblem des Zellendurchsatzes im Uplink unter Berücksichtigung von Zuverlässigkeits- und Latenzanforderungen dargestellt. Dafür wird ein heuristischer zentralisierter, d.h. dedizierter Sub-Granting-Radio-Ressource DSGRR-Algorithmus vorgeschlagen. Die Simulationsergebnisse und die Analyse ergeben in einem Szenario mit stationären Nutzern eine Erhöhung des Zelldurchsatzes bei dem Einsatz des vorgeschlagenen DSGRR-Algorithmus im Vergleich zu einer zufälligen Auswahl von Nutzern. Zusätzlich wird das Problem der Auswahl des begünstigten Nutzers in einem dynamischen Szenario untersucht, in dem sich alle Nutzer bewegen. Wir bewerten den durch das Sub-Granting durch die Mobilität entstandenen Signalisierungs-Overhead im DSGRR. Anschließend wird ein verteilter Heuristik-Algorithmus (OSGRR) vorgeschlagen und sowohl mit den Ergebnissen des DSGRR-Algorithmus als auch mit den Ergebnissen ohne Sub-Granting verglichen. Die Simulationsergebnisse zeigen einen verbesserten Zellendurchsatz für den OSGRR im Vergleich zu den anderen Algorithmen. Außerdem ist zu beobachten, dass der durch den OSGRR entstehende Overhead geringer ist als der durch den DSGRR, während der erreichte Zellendurchsatz nahe am maximal erreichbaren Uplink-Zellendurchsatz liegt. Zusätzlich wird die Ressourcenallokation im Zusammenhang mit der Energieeffizienz bei autonomer Ressourcenauswahl in New Radio (NR) Mode 2 untersucht. Die autonome Auswahl der Ressourcen wird als Verhältnis von Summenrate und Energieverbrauch formuliert. Das Ziel ist den Stromverbrauch der akkubetriebenen Endgeräte unter Berücksichtigung der geforderten Zuverlässigkeit und Latenz zu minimieren. Der heuristische Algorithmus "Density of Traffic-based Resource Allocation (DeTRA)" wird als Lösung vorgeschlagen. Bei dem vorgeschlagenen Algorithmus wird der Ressourcenpool in Abhängigkeit von der Verkehrsdichte pro Verkehrsart aufgeteilt. Die zufällige Auswahl erfolgt zwingend auf dem dedizierten Ressourcenpool beim Eintreffen aperiodischer Daten. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass der vorgeschlagene Algorithmus die gleichen Ergebnisse für die Paketempfangsrate (PRR) erreicht, wie der sensing-basierte Algorithmus. Zusätzlich wird der Stromverbrauch des Endgeräts reduziert und damit die Energieeffizienz durch die Anwendung des DeTRA-Algorithmus verbessert. In dieser Arbeit werden Techniken zur Allokation von Funkressourcen in der LTE-basierten D2D-Kommunikation erforscht und eingesetzt, mit dem Ziel Funkressourcen effizienter zu nutzen. Darüber hinaus ist der in dieser Arbeit vorgestellte Ansatz eine Basis für zukünftige Untersuchungen, wie akkubasierte Endgeräte mit minimalem Stromverbrauch in der NR-V2X-Kommunikation Funkressourcen optimal auswählen können.Next-generation cellular networks are envisioned to enable widely Device-to-Device (D2D) communication. For many applications in the D2D domain, deterministic communication latency and high reliability are of exceptionally high importance. The proximity service provided by D2D communication is a promising feature that can fulfil the reliability and latency requirements of emerging vertical applications. One of the prominent vertical applications is vehicular communication, in which the vehicles disseminate safety messages directly through D2D communication, resulting in the fatality rate reduction due to a possible collision. Radio resource allocation techniques in D2D communication have recently gained much attention in industry and academia, through which valuable radio resources are allocated more efficiently. In addition to the resource allocation techniques, energy sustainability is highly important and is usually considered in conjunction with the resource allocation approach. This dissertation is dedicated to studying different avenues of the radio resource allocation and energy efficiency techniques in Long Term Evolution (LTE) and New Radio (NR) Vehicle-to-Everythings (V2X) communications. In the following, we briefly describe the core ideas in this study. Mostly, the D2D applications are characterized by relatively small traffic payload size, and in LTE, due to coarse granularity of the subframe, the radio resources can not be utilized efficiently. Particularly, in the case of semi-persistent scheduling when a radio resource is scheduled for a longer time in the overlay D2D, the radio resources are underutilized for such applications. To address this problem, a hierarchical radio resource management scheme, i.e., a sub-granting scheme, is proposed by which nearby cellular users, i.e., beneficiary users, are allowed to reuse the unused radio resource indicated by sub-granting signaling. The proposed scheme is evaluated and compared with shortening Transmission Time Interval (TTI) schemes in terms of cell throughput. Then, the beneficiary user selection problem is investigated and is cast as a maximization problem of uplink cell throughput subject to reliability and latency requirements. A heuristic centralized, i.e., dedicated sub-granting radio resource Dedicated Sub-Granting Radio Resource (DSGRR) algorithm is proposed to address the original beneficiary user selection problem. The simulation results and analysis show the superiority of the proposed DSGRR algorithm over the random beneficiary user selection algorithm in terms of the cell throughput in a scenario with stationary users. Further, the beneficiary user selection problem is investigated in a scenario where all users are moving in a dynamic environment. We evaluate the sub-granting signaling overhead due to mobility in the DSGRR, and then a distributed heuristics algorithm, i.e., Open Sub-Granting Radio Resource (OSGRR), is proposed and compared with the DSGRR algorithm and no sub-granting case. Simulation results show improved cell throughput for the OSGRR compared with other algorithms. Besides, it is observed that the overhead incurred by the OSGRR is less than the DSGRR while the achieved cell throughput is yet close to the maximum achievable uplink cell throughput. Also, joint resource allocation and energy efficiency in autonomous resource selection in NR, i.e. Mode 2, is examined. The autonomous resource selection is formulated as a ratio of sum-rate and energy consumption. The objective is to minimize the energy efficiency of the power-saving users subject to reliability and latency requirements. A heuristic algorithm, density of traffic-based resource allocation (DeTRA), is proposed to solve the problem. The proposed algorithm splits the resource pool based on the traffic density per traffic type. The random selection is then mandated to be performed on the dedicated resource pool upon arrival of the aperiodic traffic is triggered. The simulation results show that the proposed algorithm achieves the same packet reception ratio (PRR) value as the sensing-based algorithm. In addition, per-user power consumption is reduced, and consequently, the energy efficiency is improved by applying the DeTRA algorithm. The research in this study leverages radio resource allocation techniques in LTE based D2D communications to be utilized radio resources more efficiently. In addition, the conducted research paves a way to study further how the power-saving users would optimally select the radio resources with minimum energy consumption in NR V2X communications

Cellular networks for smart grid communication

The next-generation electric power system, known as smart grid, relies on a robust and reliable underlying communication infrastructure to improve the efficiency of electricity distribution. Cellular networks, e.g., LTE/LTE-A systems, appear as a promising technology to facilitate the smart grid evolution. Their inherent performance characteristics and well-established ecosystem could potentially unlock unprecedented use cases, enabling real-time and autonomous distribution grid operations. However, cellular technology was not originally intended for smart grid communication, associated with highly-reliable message exchange and massive device connectivity requirements. The fundamental differences between smart grid and human-type communication challenge the classical design of cellular networks and introduce important research questions that have not been sufficiently addressed so far. Motivated by these challenges, this doctoral thesis investigates novel radio access network (RAN) design principles and performance analysis for the seamless integration of smart grid traffic in future cellular networks. Specifically, we focus on addressing the fundamental RAN problems of network scalability in massive smart grid deployments and radio resource management for smart grid and human-type traffic. The main objective of the thesis lies on the design, analysis and performance evaluation of RAN mechanisms that would render cellular networks the key enabler for emerging smart grid applications. The first part of the thesis addresses the radio access limitations in LTE-based networks for reliable and scalable smart grid communication. We first identify the congestion problem in LTE random access that arises in large-scale smart grid deployments. To overcome this, a novel random access mechanism is proposed that can efficiently support real-time distribution automation services with negligible impact on the background traffic. Motivated by the stringent reliability requirements of various smart grid operations, we then develop an analytical model of the LTE random access procedure that allows us to assess the performance of event-based monitoring traffic under various load conditions and network configurations. We further extend our analysis to include the relation between the cell size and the availability of orthogonal random access resources and we identify an additional challenge for reliable smart grid connectivity. To this end, we devise an interference- and load-aware cell planning mechanism that enhances reliability in substation automation services. Finally, we couple the problem of state estimation in wide-area monitoring systems with the reliability challenges in information acquisition. Using our developed analytical framework, we quantify the impact of imperfect communication reliability in the state estimation accuracy and we provide useful insights for the design of reliability-aware state estimators. The second part of the thesis builds on the previous one and focuses on the RAN problem of resource scheduling and sharing for smart grid and human-type traffic. We introduce a novel scheduler that achieves low latency for distribution automation traffic while resource allocation is performed in a way that keeps the degradation of cellular users at a minimum level. In addition, we investigate the benefits of Device-to-Device (D2D) transmission mode for event-based message exchange in substation automation scenarios. We design a joint mode selection and resource allocation mechanism which results in higher data rates with respect to the conventional transmission mode via the base station. An orthogonal resource partition scheme between cellular and D2D links is further proposed to prevent the underutilization of the scarce cellular spectrum. The research findings of this thesis aim to deliver novel solutions to important RAN performance issues that arise when cellular networks support smart grid communication.Las redes celulares, p.e., los sistemas LTE/LTE-A, aparecen como una tecnología prometedora para facilitar la evolución de la próxima generación del sistema eléctrico de potencia, conocido como smart grid (SG). Sin embargo, la tecnología celular no fue pensada originalmente para las comunicaciones en la SG, asociadas con el intercambio fiable de mensajes y con requisitos de conectividad de un número masivo de dispositivos. Las diferencias fundamentales entre las comunicaciones en la SG y la comunicación de tipo humano desafían el diseño clásico de las redes celulares e introducen importantes cuestiones de investigación que hasta ahora no se han abordado suficientemente. Motivada por estos retos, esta tesis doctoral investiga los principios de diseño y analiza el rendimiento de una nueva red de acceso radio (RAN) que permita una integración perfecta del tráfico de la SG en las redes celulares futuras. Nos centramos en los problemas fundamentales de escalabilidad de la RAN en despliegues de SG masivos, y en la gestión de los recursos radio para la integración del tráfico de la SG con el tráfico de tipo humano. El objetivo principal de la tesis consiste en el diseño, el análisis y la evaluación del rendimiento de los mecanismos de las RAN que convertirán a las redes celulares en el elemento clave para las aplicaciones emergentes de las SGs. La primera parte de la tesis aborda las limitaciones del acceso radio en redes LTE para la comunicación fiable y escalable en SGs. En primer lugar, identificamos el problema de congestión en el acceso aleatorio de LTE que aparece en los despliegues de SGs a gran escala. Para superar este problema, se propone un nuevo mecanismo de acceso aleatorio que permite soportar de forma eficiente los servicios de automatización de la distribución eléctrica en tiempo real, con un impacto insignificante en el tráfico de fondo. Motivados por los estrictos requisitos de fiabilidad de las diversas operaciones en la SG, desarrollamos un modelo analítico del procedimiento de acceso aleatorio de LTE que nos permite evaluar el rendimiento del tráfico de monitorización de la red eléctrica basado en eventos bajo diversas condiciones de carga y configuraciones de red. Además, ampliamos nuestro análisis para incluir la relación entre el tamaño de celda y la disponibilidad de recursos de acceso aleatorio ortogonales, e identificamos un reto adicional para la conectividad fiable en la SG. Con este fin, diseñamos un mecanismo de planificación celular que tiene en cuenta las interferencias y la carga de la red, y que mejora la fiabilidad en los servicios de automatización de las subestaciones eléctricas. Finalmente, combinamos el problema de la estimación de estado en sistemas de monitorización de redes eléctricas de área amplia con los retos de fiabilidad en la adquisición de la información. Utilizando el modelo analítico desarrollado, cuantificamos el impacto de la baja fiabilidad en las comunicaciones sobre la precisión de la estimación de estado. La segunda parte de la tesis se centra en el problema de scheduling y compartición de recursos en la RAN para el tráfico de SG y el tráfico de tipo humano. Presentamos un nuevo scheduler que proporciona baja latencia para el tráfico de automatización de la distribución eléctrica, mientras que la asignación de recursos se realiza de un modo que mantiene la degradación de los usuarios celulares en un nivel mínimo. Además, investigamos los beneficios del modo de transmisión Device-to-Device (D2D) en el intercambio de mensajes basados en eventos en escenarios de automatización de subestaciones eléctricas. Diseñamos un mecanismo conjunto de asignación de recursos y selección de modo que da como resultado tasas de datos más elevadas con respecto al modo de transmisión convencional a través de la estación base. Finalmente, se propone un esquema de partición de recursos ortogonales entre enlaces celulares y D2Postprint (published version

Enabling Technologies for Ultra-Reliable and Low Latency Communications: From PHY and MAC Layer Perspectives

© 1998-2012 IEEE. Future 5th generation networks are expected to enable three key services-enhanced mobile broadband, massive machine type communications and ultra-reliable and low latency communications (URLLC). As per the 3rd generation partnership project URLLC requirements, it is expected that the reliability of one transmission of a 32 byte packet will be at least 99.999% and the latency will be at most 1 ms. This unprecedented level of reliability and latency will yield various new applications, such as smart grids, industrial automation and intelligent transport systems. In this survey we present potential future URLLC applications, and summarize the corresponding reliability and latency requirements. We provide a comprehensive discussion on physical (PHY) and medium access control (MAC) layer techniques that enable URLLC, addressing both licensed and unlicensed bands. This paper evaluates the relevant PHY and MAC techniques for their ability to improve the reliability and reduce the latency. We identify that enabling long-term evolution to coexist in the unlicensed spectrum is also a potential enabler of URLLC in the unlicensed band, and provide numerical evaluations. Lastly, this paper discusses the potential future research directions and challenges in achieving the URLLC requirements

Nonorthogonal Multiple Access for 5G and Beyond

This work was supported in part by the U.K. Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) under Grant EP/N029720/1 and Grant EP/N029720/2. The work of L. Hanzo was supported by the ERC Advanced Fellow Grant Beam-me-up

Analytical Performance Evaluation of Cooperative and Multi-Radio Concepts in Emerging Wireless Networks

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New Approaches Using Cognitive Radio in Green Networking

The green networks are energy-efficient network architectures and we consider them as the basis of the wireless communication optimizing energy usage. Indeed, future communication technologies are moving in this direction, meaning that they will be less energy-intensive and, in some cases, even energy self-sufficient. Specifically, cognitive radio (CR) networks, cooperative relay networks, and non-orthogonal multiple access (NOMA) techniques have been considered as effective means to facilitate energy harvesting (EH) and a power spectrum allocation for the minimization of total transmit power, hence, making the wireless communication greener. The dissertation consists of three research sections corresponding to the aims. The first aim deals with an radio frequency (RF) wireless energy transfer model for D2D systems. In order to harvest more energy, a multiple-antenna base station and a power beacon are adopted for the D2D transmission network. We derive expressions outage probability in closed-forms. Further, independent simulations are used to validate the exactness of the theoretical expressions. In the second aim, new cooperative system models are proposed and studied. To reach the second aim, the secondary source acts as a relay and employs Amplify and Forward (AF) mode to serve distant NOMA users under a given interference constraint. To provide a detailed examination of the system performance metrics, we derived closed-form formulas for the outage probability and average throughput of the multi-users in the presence of interference constraints. In the last aim of the dissertation, we designed a new system model for a hybrid satellite-terrestrial cognitive network (HSTCN) relying on NOMA interconnecting a satellite and multiple terrestrial nodes. Reliability and security of transmission were studied to minimize the total transmit power. To reach the third aim, we examined the following performance factors: outage probability, hardware impairment, intercept probability, and average throughput. The novel closed-forms expressions of these performance factors are derived. The last but not at least, we simulated the new HSTCN system model. The achieved results figured that the new proposed approaches make it possible to take into account service quality requirements and are applicable in future green networking.Zelené sítě jsou energeticky efektivní síťové architektury a považujeme je za základ bezdrátové komunikace optimalizující spotřebu energie. Tímto směrem se ubírají budoucí komunikační technologie, což znamená, že budou méně energeticky náročné a v některých případech dokonce energeticky soběstačné. Kognitivní rádiové (CR) sítě, kooperativní relay sítě a neortogonální vícenásobné přístupové (NOMA) techniky jsou považovány za účinný prostředek k usnadnění získávání energie (EH) a přidělování výkonového spektra pro minimalizaci celkového vysílacího výkonu, díky čemuž je bezdrátová komunikace zelenější. Disertační práce se skládá ze tří výzkumných částí odpovídajících cílům. První cíl se zabývá modelem bezdrátového přenosu radiofrekvenční (RF) energie pro systémy D2D. Aby bylo možné získat více energie, jsou pro přenosovou D2D síť použity základnové stanice s více anténami a napájecím radiomajákem. Pro navržený model jsou odvozeny pravděpodobnosti výpadků, kdy tyto výrazy jsou v uzavřené formě. Dále jsou k ověření platnosti získaných teoretických výrazů použity nezávislé simulace. Ve druhém cíli jsou navrženy a zkoumány nové modely kooperativního systému. Aby bylo dosaženo druhého cíle, sekundární zdroj funguje jako relay uzel a využívá režim AF (Amplify and Forward), který slouží vzdáleným NOMA uživatelům za specifických interferenčních podmínek. Abychom poskytli podrobné zhodnocení výkonnostních metrik systému, odvodili jsme vztahy v uzavřené formě pro pravděpodobnost výpadků a průměrnou propustnost více uživatelů za přítomnosti interferenčních omezení. V posledním cíli disertační práce jsme navrhli nový systémový model pro hybridní satelitně-terestrickou kognitivní síť (HSTCN) založenou na neortogonálním vícenásobném přístupu (NOMA) propojující satelit a více terestrických uzlů. Zkoumána byla spolehlivost a zabezpečení přenosu s důrazem na minimalizaci celkového vysílacího výkonu. Pro dosažení třetího cíle jsme zkoumali následující výkonnostní faktory: pravděpodobnost výpadku, poškození hardwaru, pravděpodobnost zachycení a průměrnou propustnost. Pro tyto výkonnostní faktory jsou odvozeny v uzavřených formách nové výrazy. V neposlední řadě jsme rovněž simulovali nový systémový HSTCN model. Dosažené výsledky potvrdily, že nově navržené přístupy umožňují zohledňovat požadavky na kvalitu služeb a jsou použitelné v budoucích zelených sítích.440 - Katedra telekomunikační technikyvyhově

Interference Alignment for Cognitive Radio Communications and Networks: A Survey

© 2019 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland. This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).Interference alignment (IA) is an innovative wireless transmission strategy that has shown to be a promising technique for achieving optimal capacity scaling of a multiuser interference channel at asymptotically high-signal-to-noise ratio (SNR). Transmitters exploit the availability of multiple signaling dimensions in order to align their mutual interference at the receivers. Most of the research has focused on developing algorithms for determining alignment solutions as well as proving interference alignment’s theoretical ability to achieve the maximum degrees of freedom in a wireless network. Cognitive radio, on the other hand, is a technique used to improve the utilization of the radio spectrum by opportunistically sensing and accessing unused licensed frequency spectrum, without causing harmful interference to the licensed users. With the increased deployment of wireless services, the possibility of detecting unused frequency spectrum becomes diminished. Thus, the concept of introducing interference alignment in cognitive radio has become a very attractive proposition. This paper provides a survey of the implementation of IA in cognitive radio under the main research paradigms, along with a summary and analysis of results under each system model.Peer reviewe