Routage et optimisation de l'allocation de ressources radio des communications D2D dans la 5ème génération des réseaux cellulaires.

par Safwan Alwan

Projet de thèse en Signal, Image, Automatique

Sous la direction de Nadjib Ait saadi.


  • Résumé

    Les communications directes du type d'utilisateur à utilisateur, dans les réseaux cellulaires post-4G, sont connues sous le nom de communications Device-to-Device (D2D). Une communication D2D implique l'acheminement des flux de trafic entre la source et la destination sans passer par l'infrastructure de l'opérateur de réseau (la station de base, le réseau central, etc.). Bien que le concept de communications pair-à-pair soit relativement ancien, par ex. dans le contexte du WiFi, cependant, son adoption dans le contexte des réseaux mobiles est récente. En fait, la D2D dans les réseaux cellulaires post-4G a attiré l'attention des télécoms et de la communauté de la recherche pour un certain nombre de raisons: i) améliorer la couverture radio (c'est-à-dire la force du signal reçue) des réseaux cellulaires offrant plus aux utilisateurs, ii) Réduire la congestion dans la station de base et le réseau central à cause du trafic, iii) fournir une connectivité entre utilisateurs même si l'infrastructure est endommagée, c'est-à-dire, dans le cas de catastrophes naturelles, etc., iv) En tant que facilitateur pour le nouveau type de services basés sur la proximité (ProSe) dans les réseaux cellulaires. Il est à noter que la communication D2D ne peut avoir lieu que dans des zones où les terminaux utilisateurs peuvent former ce nouveau type de liaisons D2D à courte portée. Pour une meilleure efficacité et une meilleure performance, les liaisons D2D et les liaisons cellulaires réutilisent une grande partie de l'architecture matérielle et partagent les mêmes ressources radio. Cela dit, la gestion des interférences, entre ces deux couches de communications co-existantes, devient un besoin vital. Dans sa quête de nouvelles technologies habilitantes, LTE-Advanced (LTE-A) a adopté le concept de D2D. En fait, D2D dans les bandes sous licence a été normalisé dans le cadre de la version 12 de 3GPP LTE où la liaison D2D est appelée SideLink (SL). D2D est également approuvé pour être un composant technologique de l'architecture 5G en évolution. Dans cette thèse, nous proposons de pousser la technologie D2D dans les réseaux LTE-A au-delà des capacités des simples sauts D2D. Ce faisant, un réseau de type ad hoc d'équipements utilisateur (UE) à capacité D2D, par ex. téléphones portables; Modems attachés à un PC; Les relais d'accès, coopèrent pour délivrer le trafic entre eux sans la participation de la station de base LTE-A (eNodeB / eNB) sauf éventuellement pour la gestion et la coordination des ressources radio. En outre, nous notons que de tels réseaux peuvent avoir des topologies dynamiques car les nœuds sont mobiles et les liens peuvent apparaître ou disparaître. Le problème de la thèse est de trouver de nouveaux schémas composés de méthodes de routage et des algorithmes d'allocation de ressources radio sous-jacents au fonctionnement précité du réseau de relais basé sur D2D. La partie de l'allocation des ressources du problème est basée sur l'accès multiple par répartition orthogonale de la fréquence LTE-A (OFDMA). Les régimes proposés doivent prendre en compte les points suivants: i) optimiser le spectre de fréquences partagées qui est une ressource rare, ii) garantir la qualité de service de communication en termes de débit, de délai, de taux de perte de paquets, etc. iii) minimiser les interférences avec les communications cellulaires, et iv) optimiser le routage entre la source et la destination. Les propositions de thèse doivent également prendre en compte i) le temps de calcul, ii) le besoin de mémoire et iii) le volume de signalisation, c'est-à-dire le volume de trames échangées pour prendre des décisions, et iv) divers types de trafic, par ex. unicast, multicast, etc.

  • Titre traduit

    Routing and Optimisation of Radio Resource Allocation of Device-to-Device Communications in 5G Cellular Networks.


  • Résumé

    Direct communications of the user-to-user type, in the post-4G cellular networks, are known as Device-to-Device (D2D) communications. A D2D communication involves routing traffic flows between the source and the destination without passing through the infrastructure of the network operator (the base station, the core network, etc.). Although, the concept of peer-to-peer communications is relatively old, e.g. in the context of WiFi, however, its adoption in the context of mobile networks is recent. As a matter of fact, D2D in post-4G cellular networks has attracted the attention of telecoms and the research community for a number of reasons: i) Improving the radio coverage (ie, signal strength received) of cellular networks offering greater to the users, ii) Reducing congestion in the base-station and the core network because of traffic, iii) Providing connectivity between users even if the infrastructure is damaged, i.e., in the case of natural disasters, etc., iv) As an enabler for the new kind of Proximity-based Services (ProSe) in cellular networks. It should be noted that the D2D communication can take place only in areas where user terminals can form this new kind of short-range D2D links. For better efficiency and performance, D2D links and cellular links reuse much of hardware architecture and share the same radio resources. That said, the interference management, between these two co-existing layers of communications, becomes a vital need. In its quest for new enabler technologies, LTE-Advanced (LTE-A) has adopted the concept of D2D. As a matter of fact, D2D in the licensed bands has been standardized as part of 3GPP LTE Release 12 where the D2D link is called SideLink (SL). D2D is also approved to be a technology component of the evolving 5G architecture. In this thesis, we propose to push the D2D technology in LTE-A networks beyond the capabilities of single D2D hops. In doing so, an ad hoc-style network of D2D-enabled user equipments (UEs), e.g. mobile phones; PC-attached modems; access relays, cooperate to deliver the traffic between themselves without the involvement of the LTE-A base station (eNodeB/eNB) except possibly for the management and the coordination of radio resources. In addition, we note that such networks might have dynamic topologies because nodes are mobile and links can appear or disappear. The thesis problem is to find new schemes composed of routing methods and the radio resource allocation algorithms underlying the above-mentioned operation of the D2D-based relaying network. The resource allocation part of the problem is based on LTE-A Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA). The proposed schemes must consider the following points: i) optimizing the shared frequency spectrum which is a rare resource, ii) guaranteeing the communication quality of service in terms of throughput, delay, packet loss rate, etc. iii) minimizing interference with cellular communications, and iv) optimizing routing between source and destination. Thesis proposals also should take into account i) the computation time, ii) the memory need and iii) the volume of signaling, i.e., the volume of frames exchanged to make decisions, and iv) various types of traffic, e.g. unicast, multicast, etc.