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Radio resource management for automotive device-to-device communication in future cellular networks
Botsov, Mladen
Device-to-device (D2D) communication as an underlay to future cellular networks has been recently considered as an efficient cell offloading and capacity increasing solution. As such, it is envisioned to help serve the ever increasing cellular traffic. The gains offered by the D2D paradigm may enable the implementation of additional novel services in such a hybrid system. In particular, the localized nature of direct transmissions and their higher spectral efficiency correlate well with the properties of automotive applications built on the basis of Cooperative Intelligent Transport Systems (C-ITS). This work investigates the adoption of such services in the D2D underlay. In particular, it deals with the problem of Radio Resource Management (RRM) with the main objective of satisfying their stringent Quality of Service (QoS) requirements.
To this end, an analysis of the asymptotic transport capacity of the envisioned two-tier network is carried out in order to assess the potential of supporting C-ITS applications in the D2D underlay. Motivated by the encouraging system behavior and the lack of corresponding contributions in the literature, a RRM scheme based on Channel Distribution Information (CDI) is defined to satisfy the QoS requirements of all transmitting users, both in the primary cellular network and in the D2D underlay. This scheme leverages knowledge over the (distribution of the) channel coefficients for all of the potential (interference) links in the system, in order to determine appropriate resource allocation. In particular, it allows for multiple users to reuse the same radio resources for cellular and direct communication, respectively, such that concurrent transmissions do not cause harmful mutual interference. The acquisition of CDI, however, is associated with enormous overhead and is not feasible in scenarios with higher network load. Hence, a second RRM scheme based on location information is developed with the goal of minimal added overhead. This scheme leverages knowledge over the positions of users and derives an appropriate resource allocation based on their separation in space.
The performance of the two schemes is evaluated by means of extensive system level simulations. An analysis of the advantages and disadvantages of CDI- and location-based RRM, respectively, is carried out. While both schemes are capable of satisfying some feasible QoS requirements, the CDI-based one can support a higher number of users. This comes at the cost of much higher measurement overhead, however. Moreover, the necessity of considering QoS requirements in RRM for C-ITS applications is demonstrated, as the commonly used opportunistic approach to D2D communication leads to unsatisfactory performance.
Die sogenannte Device-to-Device-Kommunikation (D2D-Kommunikation) wird neulich als effiziente Lösung für das Entladen von Zellen und zur Erhöhung der Kapazität von zukünftigen Mobilfunknetzen angesehen. Dies wird durch die Wiederverwendung von zellulären Radioressourcen für eine örtlich begrenzte Direktübertragung zwischen betro enen Endgeräten. Die durch das D2D-Paradigma gebotenen Vorteile können die Implementierung zusätzlicher neuer Dienste in einem solchen Hybridsystem ermöglichen. Insbesondere die lokalisierte Natur der direkten Übertragungen und ihre höhere spektrale Effizienz korrelieren gut mit den Eigenschaften von Automotiveanwendungen, die auf der Grundlage von kooperativen intelligenten Transportsystemen (bekannt als C-ITS) erstellt werden. Diese Arbeit untersucht die Implementierung solcher Dienste basierend auf D2D-Kommunikation. Sie befasst sich insbesondere mit dem Problem des Radio Resource Managements (RRM) mit dem Hauptziel, die strengen QoS-Anforderungen (Quality of Service) von sicherheitsrelevanten Automotiveanwendungen zu erfüllen.
Zu diesem Zweck wird eine Analyse der asymptotischen Transportkapazität des beabsichtigten zweischichtigen Netzwerks durchgeführt, um das Potenzial der Unterstützung von C-ITS-Anwendungen in dem D2D-Subnetz zu bewerten. Motiviert durch das ermutigende Systemverhalten und das Fehlen entsprechender Beiträge in der Literatur, wird ein auf Kanalverteilungsinformationen (Channel Distribution Information, CDI) basierendes RRM-Schema definiert, um die QoS-Anforderungen aller sendenden Benutzer sowohl im primären Mobilfunknetz als auch in dem D2D-Subnetz zu erfüllen. Dieses Schema nutzt das Wissen über die (Verteilung der) Kanalkoeeffizienten für alle potenziellen (Interferenz-) Verbindungen im System, um eine geeignete Ressourcenzuteilung zu bestimmen. Insbesondere können mehrere Benutzer dieselben Funkressourcen für die zellulare bzw. direkte Kommunikation wiederverwenden, so dass gleichzeitige Übertragungen keine schädlichen gegenseitigen Interferenzen verursachen. Das Sammeln von CDI ist jedoch mit einem enormen Overhead verbunden und in Szenarien mit höherer Netzwerklast nicht realisierbar. Daher wird ein zweites RRM-Schema basierend auf Standortinformationen mit dem Ziel eines minimalen zusätzlichen Aufwands entwickelt. Dieses Schema nutzt das Wissen über die Positionen der Benutzer und leitet basierend auf ihrer räumlichen Trennung eine geeignete Ressourcenzuteilung ab.
Die Leistung der beiden Schemata wird durch umfangreiche Simulationen auf Systemebene bewertet. Es wird eine Analyse der Vor- und Nachteile von CDI- bzw. standortbasiertem RRM durchgeführt. Während beide Schemata in der Lage sind, einige realistische QoSAnforderungen zu erfüllen, kann das CDI-basierte System eine größere Anzahl von Benutzern unterstützen. Dies geht jedoch mit einem viel höheren Messaufwand einher. Darüber hinaus wird die Notwendigkeit einer Berücksichtigung der QoS-Anforderungen im RRM für CITS-Anwendungen gezeigt, da der häufig verwendete opportunistische Ansatz für die D2D Kommunikation zu einer unbefriedigenden Leistung führt.
