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

Will SDN be part of 5G?

For many, this is no longer a valid question and the case is considered settled with SDN/NFV (Software Defined Networking/Network Function Virtualization) providing the inevitable innovation enablers solving many outstanding management issues regarding 5G. However, given the monumental task of softwarization of radio access network (RAN) while 5G is just around the corner and some companies have started unveiling their 5G equipment already, the concern is very realistic that we may only see some point solutions involving SDN technology instead of a fully SDN-enabled RAN. This survey paper identifies all important obstacles in the way and looks at the state of the art of the relevant solutions. This survey is different from the previous surveys on SDN-based RAN as it focuses on the salient problems and discusses solutions proposed within and outside SDN literature. Our main focus is on fronthaul, backward compatibility, supposedly disruptive nature of SDN deployment, business cases and monetization of SDN related upgrades, latency of general purpose processors (GPP), and additional security vulnerabilities, softwarization brings along to the RAN. We have also provided a summary of the architectural developments in SDN-based RAN landscape as not all work can be covered under the focused issues. This paper provides a comprehensive survey on the state of the art of SDN-based RAN and clearly points out the gaps in the technology.Comment: 33 pages, 10 figure

Spectrum Map and its Application in Cognitive Radio Networks

Recent measurements on radio spectrum usage have revealed the abundance of underutilized bands of spectrum that belong to licensed users. This necessitated the paradigm shift from static to dynamic spectrum access. Cognitive radio based secondary networks that utilize such unused spectrum holes in the licensed band, have been proposed as a possible solution to the spectrum crisis. The idea is to detect times when a particular licensed band is unused and use it for transmission without causing interference to the licensed user. We argue that prior knowledge about occupancy of such bands and the corresponding achievable performance metrics can potentially help secondary networks to devise effective strategies to improve utilization. In this work, we use Shepard\u27s method of interpolation to create a spectrum map that provides a spatial distribution of spectrum usage over a region of interest. It is achieved by intelligently fusing the spectrum usage reports shared by the secondary nodes at various locations. The obtained spectrum map is a continuous and differentiable 2-dimension distribution function in space. With the spectrum usage distribution known, we show how different radio spectrum and network performance metrics like channel capacity, secondary network throughput, spectral efficiency, and bit error rate can be estimated. We show the applicability of the spectrum map in solving the intra-cell channel allocation problem in centralized cognitive radio networks, such as IEEE 802.22. We propose a channel allocation scheme where the base station allocates interference free channels to the consumer premise equipments (CPE) using the spectrum map that it creates by fusing the spectrum usage information shared by some CPEs. The most suitable CPEs for information sharing are chosen on a dynamic basis using an iterative clustering algorithm. Next, we present a contention based media access control (MAC) protocol for distributed cognitive radio network. The unlicensed secondary users contend among themselves over a common control channel. Winners of the contention get to access the available channels ensuring high utilization and minimum collision with primary incumbent. Last, we propose a multi-channel, multi-hop routing protocol with secondary transmission power control. The spectrum map, created and maintained by a set of sensors, acts as the basis of finding the best route for every source destination pair. The proposed routing protocol ensures primary receiver protection and maximizes achievable link capacity. Through simulation experiments we show the correctness of the prediction model and how it can be used by secondary networks for strategic positioning of secondary transmitter-receiver pairs and selecting the best candidate channels. The simulation model mimics realistic distribution of TV stations for urban and non-urban areas. Results validate the nature and accuracy of estimation, prediction of performance metrics, and efficiency of the allocation process in an IEEE 802.22 network. Results for the proposed MAC protocol show high channel utilization with primary quality of service degradation within a tolerable limit. Performance evaluation of the proposed routing scheme reveals that it ensures primary receiver protection through secondary power control and maximizes route capacity

Spectrum Trading: An Abstracted Bibliography

This document contains a bibliographic list of major papers on spectrum trading and their abstracts. The aim of the list is to offer researchers entering this field a fast panorama of the current literature. The list is continually updated on the webpage \url{http://www.disp.uniroma2.it/users/naldi/Ricspt.html}. Omissions and papers suggested for inclusion may be pointed out to the authors through e-mail (\textit{[email protected]})