Performance Analysis and Enhancement of Device-to-Device Communications Underlaying LTE-A Uplink Cellular Networks Using Fractional Frequency Reuse Scheme

Abstract

Due to the increasing demands for various types of high data rate services, cellular networks are facing the problem of resource limitations. Future cellular networks target to deliver high data rates to fulfill the requirements for different services, with new communications standards such as device-to-device (D2D) communications. In D2D communication, two devices in close proximity can communicate directly without crossing data traffic over the evolved-NodeB (eNB). In D2D communication, two adjacent devices set up a communication by reusing the cellular resource. Hence, D2D communication is considered to be one of the promising communication standard encouraged by future cellular networks. This result in a reduced traffic load to the eNB, minimized end-to-end delay, and maximized spectral efficiency and system capacity. Nevertheless, implementing D2D communication in an LTE-Advanced (LTE-A) cellular network generates rigorous interference to conventional cellular users and also causes mutual interference among D2D pairs. Two main types of uplink interference are: inter-cell interference caused by D2D transmitter to the cellular user and from the cellular user to the D2D receiver. Unfortunately, it has been found that the performance of system degrades with the implementation of D2D communications into the conventional cellular networks. In this dissertation, we present a novel resource allocation method to enhance overall system performance by minimizing uplink interference. The new technique develops the resource allocation method by considering fractional frequency reuse (FFR) technique. More specifically, the work in this thesis is divided into four sections. In the first section, we study on the benefit of the non-orthogonal resource reuse scenario of cellular resources in D2D communication by allowing FFR technique. Different objectives are considered, including increasing overall system capacity and spectral efficiency. Our results demonstrate that the proposed methods can assuredly enhance system performance with reduced computational complexity. The second section of the thesis executes with the effect of distance-constrained resource allocation in D2D communications, where we evaluate outage probability of both cellular users and D2D users. Our results show that it is possible to obtain least outage probability by determining location of user from the eNB while reusing the resources. In the third section, we accomplish to take benefit of the higher frequency reuse factor by considering greedy heuristic algorithm and binary power control algorithm in a network-assisted D2D communications. We demonstrate that the proposed scheme can indeed take benefit of the higher frequency reuse factor and accommodate optimum system performance. Finally, in the fourth section of the thesis, we study the multicast nature of D2D communications underlaying uplink cellular networks by proposing a metaheuristic-tabu search algorithm. A metaheuristic-tabu search algorithm is considered to increase the probability of finding optimal solutions by reducing uplink interference and for fairness resource distribution; Jain’s fairness index is analyzed. We demonstrate that our proposed scheme is desirable to obtain optimum solution for throughout, spectral efficiency and QoS target by providing fairness in resource allocation while minimizing uplink interference.|다양한 종류의 고속 데이터 서비스에 대한 요구가 증가함에 따라, 셀룰러 네트워크는 리소스 제한 문제에 직면해 있다. 더불어, 차세대 셀룰러 네트워크는 D2D (Device-to-Device) 통신과 같은 새로운 통신 패러다임을 통해 다양한 서비스에 대한 요구 사항을 충족시키기 위해 높은 데이터 전송 속도를 제공하는 것을 목표로 한다. D2D 통신에서 근접한 두 장치는 셀룰러 시스템의 기지국 (eNB)을 통하지 않고 직접 통신 할 수 있다. 이러한 D2D 통신에서 두 개의 근접한 디바이스는 기지국이 사용하는 셀룰러 스펙트럼을 재사용하여 통신을 수행할 수 있다. 따라서 D2D 통신은 미래의 셀룰러 네트워크와 함께 유망한 통신 벤치 마크 중 하나가 될 것으로 기대된다. 이로 인해 eNB에 대한 트래픽 부하 및 종단간 지연이 감소되고 스펙트럼 효율 및 시스템 처리량이 향상된다. 그러나 LTE-Advanced (LTE-Advanced) 셀룰러 네트워크에서 D2D 통신을 허용하면 기존의 셀룰러 사용자와 D2D 송수신 단말 간의 상호 간섭이 발생한다. 예를 들어, 상향링크 간섭의 두 가지 주요 유형은 D2D 송신기로부터 셀룰러 사용자, 셀룰러 송신기에서 D2D 수신기로 발생되는 셀내 간섭이다. 불행히도, 문헌에서는 기존의 셀룰러 네트워크에 D2D 통신을 허용하면 시스템 성능이 저하되는 것으로 밝혀졌다. 본 연구에서는 D2D통신이 공존하는 셀룰러 환경에서 상향링크 간섭을 완화하여 전반적인 시스템 성능을 향상시키는 새로운 자원 할당 기법을 제시한다. 새로운 메커니즘은 부분 주파수 재사용 (FFR) 기술을 고려하여 자원 할당 방법을 확장한 것이다. 연구의 주요 내용은 네 가지로 구분할 수 있다. 첫 번째 파트에서는 FFR 기술을 고려하여 D2D 통신에서 셀룰러 자원의 비 직교 자원 재사용 특성의 이점에 대해 논의한다. 전반적인 시스템 처리량 및 스펙트럼 효율을 최대화하는 목표 등이 고려되었다. 성능 평가 결과로부터 제안된 기법이 복잡도를 최소화하면서도 시스템 성능을 달성 할 수 있음을 보여준다. 두 번째 파트에서는 D2D 통신에서 거리가 제한된 리소스 할당 문제에 대해 연구하였다. 여기서는 셀룰러 사용자와 D2D 사용자 모두의 아웃티지 확률 (Outage Probability)을 분석하였다. 성능 평가 결과는 자원을 재사용하면서 기지국이 사용자의 위치를 분석함으로써 아웃티지 확률을 최소화 할 수 있음을 보여주었다. 세 번째 파트에서는 네트워크 지원 D2D 통신에서 greedy heuristic 알고리즘과 이진 전력 제어 알고리즘을 적용하여 높은 주파수 재사용 계수를 활용하는 연구를 수행하였다. 제안된 기법의 성능 분석 결과는 높은 주파수 재사용 계수를 활용하고 최적의 시스템 성능을 제공 할 수 있음을 보여준다. 마지막으로, 네 번째 파트에서는 metaheuristic-tabu 검색 알고리즘을 도입하여 상향링크 셀룰러 네트워크를 기반으로 하는 D2D 통신의 멀티 캐스트 특성에 대해 연구를 수행하였다. 상향링크 간섭을 최소화하여 시스템을 최적화하고 공정한 자원 분배를 위해 metaheuristic-tabu 검색 알고리즘을 적용하었으며 Jain’s index라는 공정성 지수를 고려하였다. 성능 평가로부터 상향 링크 간섭을 완화하면서 자원 할당의 공정성을 보장함으로써 전반적인 스펙트럼 효율과 QoS를 달성할 수 있는 최적의 솔루션을 얻을 수 있음을 보여 주었다.