Ultra-reliable Network-controlled D2D

Abstract

Fifth generation cellular networks aim to provide new types of services. Prominent amongst these are industrial automation and vehicle-to-vehicle communications. Such new use cases demand lower latencies and higher reliability along with greater flexibility than current and past generations of cellular technologies allow. Enabling these new service types requires the introduction of device-to-device communications (D2D). This work investigated network-controlled D2D schemes wherein cellular base stations retain control over spectrum usage. D2D nodes assemble into clusters. Each D2D cluster then organises itself as it sees fit within the constraints imposed by the cellular network. A review of proposed D2D control schemes was conducted to identify pertinent interference issues. Measurements were then devised to empirically collect quantitative data on the impact of this interference.

Measurements were conducted using a software-defined radio (SDR) platform. An SDR based system was selected to enable a low cost and highly flexible iterative approach to development while still providing the accuracy of real-world measurement. D2D functionality was added to the chosen SDR system with the essential parts of Long Term Evolution Release 8 implemented. Two series of measurements were performed. The first aimed to determine the adjacent channel interference impact of a cellular user being located near a D2D receiver. The second measurement series collected data on the co-channel interference of spectrum re-use between a D2D link and a moving cellular transmitter. Based on these measurements it was determined that D2D communications within a cellular system is feasible. Furthermore, the required frequency of channel state information reporting as a function of node velocity was determined.

Viidennen sukupolven solukkoverkoilla pyritään mahdollistamaan uudentyyppisiä palveluja kuten teollisuusautomatiikkaa ja ajoneuvojen välistä viestintää. Tämänkaltaiset uudet käyttötarkoitukset vaativat lyhyempien viiveiden ja korkeammat luotettavuuden ohella myös suurempaa joustavuutta kuin minkä nykyisen sukupolven matkapuhelinverkkoteknologiat sallivat. Edellä mainittujen uusien palvelujen toteuttaminen vaatii suoria laitteiden välisiä yhteyksiä (engl. D2D). Tässä diplomityössä keskityttiin tutkimaan verkkohallinteisia D2D-rakenteita, joissa solukkoverkko hallinnoi spektrin käyttöä. D2D-päätteet liittyvät yhteen muodostaakseen klustereita, jotka hallinnoivat sisäistä tietoliikennettään parhaaksi katsomallaan tavalla solukkoverkon asettamien rajoitusten puitteissa.

Kirjallisuuskatsauksen avulla selvitettiin aiemmissa tutkimuksissa esitetyille D2D-ratkaisuille yhteiset interferenssiongelmat. Näiden vaikutusta ja suuruutta tutkittiin mittausten avulla. Mittaukset toteutettiin ohjelmistoradioalustan (engl. SDR) avulla. SDR-pohjaisen järjestelmän käyttö mahdollisti edullisen ja joustavan tavan kerätä empiirisiä mittaustuloksia. D2D-toiminnallisuus lisättiin Long Term Evolution Release 8:n olennaiset ominaisuudet omaavaan alustaan. Tällä alustalla toteutettiin kaksi mittaussarjaa. Ensimmäisellä kerättiin tuloksia viereisellä kanavalla toimivan matkapuhelimen D2D-vastaanottimelle aiheuttamasta interferenssistä näiden ollessa toistensa läheisyydessä. Toisella mittaussarjalla selvitettiin samalla kanavalla toimivan D2D-yhteyden ja liikkuvan matkapuhelimen välistä interferenssiä. Mittausten perusteella todettiin D2D-toiminnallisuuden lisäämisen solukkoverkkoon olevan mahdollista. Lisäksi laskettiin vaadittava kanavalaadun päivitystiheys päätteiden nopeuden funktiona.