شماره راهنما :
1918 دكتري
پديد آورنده :
باهنر، محمدحسين
عنوان :
تخصيص منبع براي مخابرات دستگاه به دستگاه در شبكه هاي سلولي متراكم
گرايش تحصيلي :
مخابرات سيستم
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
صفحه شمار :
شانزده، 163ص. : مصور، جدول، نمودار
استاد راهنما :
محمدجواد اميدي
استاد مشاور :
فروغ السادات طباطبا
توصيفگر ها :
روش توزيع شده , روش متمركز , كارايي طيفي , تخصيص منبع , مخابرات دستگاه به دستگاه
استاد داور :
علي محمد دوست حسيني، مهرداد اردبيلي پور
تاريخ ورود اطلاعات :
1401/03/31
دانشكده :
مهندسي برق و كامپيوتر
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1401/03/31
چكيده فارسي :
براي برآوردهسازي نياز روزافزون به نرخ داده بالاتر در شبكههاي مخابرات بيسيم همانند 5G و 6G و همچنين با توجه به تراكم گرههاي ارسالكننده داده در شبكههاي مخابرات بيسيم آينده، طراحي و توسعه روشها و تكنيكهاي ارسال داده به منظور برآوردهسازي نرخ داده موردنظر از اهميت بالايي برخوردار است. مخابرات دستگاه به دستگاه (D2D) به عنوان يكي از روشهاي مطرح در اين زمينه مطرح گرديده است و به بررسي ارسال مستقيم داده بين يك زوج گيرنده و فرستنده ميپردازد و در سالهاي اخير به دليل توانايي در افزايش كارايي طيفي بسيار مورد توجه قرار گرفته است. در صورتي كه مساله تداخل و تخصيص منبع به خوبي مديريت شود، اين نوع مخابرات ميتواند كارايي طيفي را در سيستمهاي مخابراتي به صورت قابل ملاحظهاي افزايش دهد. به دليل تراكم گرههاي ارسالكننده داده در شبكههاي مخابرات بيسيم آينده، مخابرات دستگاه به دستگاه ميتواند تكنيكي مهم براي برآوردهسازي نرخ داده موردنياز شبكههاي متراكم باشد. به اين منظور لازم است كه مساله تخصيص منبع براي مخابرات دستگاه به دستگاه در شبكههاي متراكم كه از چالشهاي اصلي اين موضوع است، به دقت بررسي شود. در اين پژوهش مساله بيانشده به صورت متمركز و توزيعشده براي مخابرات دستگاه به دستگاه در شبكههاي سلولي متراكم مورد بحث قرار ميگيرد. %دسترسي طيفي زيرنهي در باند مجوز دار كه توانايي افزايش كارايي طيفي بالاتري در مقايسه با ديگر دسترسيهاي طيفي دارد، در نظر گرفته ميشود. %اين دسترسي طيفي داراي چالشهاي بيشتري در مقايسه با ديگر دسترسيها بوده ولي در صورتي كه مديريت تداخل به خوبي صورت پذيرد ميتواند منجر به افزايش بيشتري در كارايي طيفي شبكه گردد. %از نظر دسترسي همزمان چندين كاربر و به دليل محدوديتهاي سختافزاري ماژولهاي ارسالكننده داده لازم است كه فرض شود كه هر كاربر دستگاه به دستگاه حداكثر لينك يك كاربر سلولي را ميتواند بازاستفاده كند. روشهاي متمركز عموماً داراي عملكرد بهتري نسبت به روشهاي توزيعشده هستند. % و عموماً نياز به داشتن اطلاعات كامل وضعيت تمامي لينكها دارند و از اين رو در هر حالتي امكان پيادهسازي عملي آنها وجود ندارد. %علاوه بر اين موضوع در بسياري از روشهاي متمركز حداكثر يك زوج كاربر D2D توانايي به اشتراكگذاري منبع با يك كاربر سلولي را دارا است كه فرض ساده كنندهاي براي روشهاي متمركز و خصوصاً مبتني بر بهينهسازي است. در اين پژوهش فرض بر آن است كه چندين زوج كاربر D2D توانايي استفاده از يك لينك سلولي را دارا ميباشند كه ميتواند به صورت قابلتوجهي كارايي طيفي را افزايش دهد ولي مساله مديريت تداخل را به شدت پيچيده مينمايد. مساله حداكثرسازي نرخ مجموع كاربران مشروط بر كسب حداقل كيفيت موردنظر هر كاربر به صورت يك مساله بهينهسازي غيرخطي، غيرمحدب و داراي اعداد صحيح مدل شده است كه حل آن NP سخت است. در اين پژوهش با استفاده از قابليت بازاستفاده فضايي از منابع يك الگوريتم تخصيص منبع زيربهينه با پيچيدگي پايين كه به صورت چهار مرحلهاي و مبتني بر انتخاب كاربران است، پيشنهاد ميشود. در مرحله اول كاربران سلولي براي فرآيند انتخاب كاربران اولويتبندي شده و در مرحله دوم زوج كاربران D2D بر اساس معيار پيشنهاد شده كه منجر به كاهش تداخل و افزايش قابليت بازاستفاده فركانسي ميشود، انتخاب ميشوند. مراحل اول و دوم منجر به نگاشتي بين كاربران سلولي و دستگاه به دستگاه از نظر دسترسي به منابع سلولي ميشود. مرحله سوم امكانپذيربودن مساله تخصيص منبع را از نظر نگاشت بهدستآمده با استفاده از يك روش سريع كه به صورت فرم بسته بيانشده و به صورت تحليلي نيز اثبات شده است، بررسي ميكند. در مرحله چهارم، تخصيص منبع بهينه با استفاده از ويژگي تابع هدف كه تفاضلي از دو تابع محدب است و با استفاده از روش حداكثرسازي-حداقل سازي براي نگاشت انتخابشده صورت ميگيرد. نگاشت پيشنهادشده، روش فرم بسته بررسي امكانپذيري مساله و روش بهينه تخصيص توان استفادهشده منجر به عملكرد بهتر روش متمركز پيشنهادي با معيار نرخ مجموع در مقايسه با ديگر روشهاي مطرح براي شبكههاي متراكم ميگردد. عملكرد روش متمركز پيشنهادي با معيار نرخ مجموع در حالتهاي غيرمتراكم قابل قبول ولي كمتر از ديگر روشهاي مطرح در اين زمينه است.
چكيده انگليسي :
In order to meet the increasing data rate demand of fifth-generation (5G) and sixth generation (6G) wireless networks and by considering the dense deployment of transmitting nodes in future wireless networks, it is critical to design and develop new data transmission techniques. Device-to-device (D2D) communications that enable direct data transmission between proximally situated user equipments (UEs) has been proposed recently to meet the exponentially increasing data rate demands and to increase the spectral efficiency of future cellular networks beyond 5G (B5G) networks. SE improvement is one of the advantages of D2D communications if interference is addressed effectively. Due to the dense deployment of transmitting nodes in future wireless networks, D2D communications can be an effective tool in such networks. Therefore, the resource allocation problem which is the main challenging issue of D2D communications should be investigated. In this research, the resource allocation problem is investigated using a centralized and a distributed approach. Centralized schemes usually have higher performances compared to distributed ones. It is usually assumed in centralized schemes that at most one D2D pair can reuse each cellular link (CL) which simplifies the optimization problem. In this research, we assume that multiple D2D pairs can reuse each CL which can increase the SE of the network dramatically but cause the resource allocation problem to be highly complex. The sum-rate maximization problem constrained to the quality-of-service (QoS) of cellular UEs (CUEs) and D2D pairs is modeled as a mixed-integer non-convex non-linear optimization problem which is NP-hard to be solved. In this research, we propose a low-complexity sub-optimal resource allocation algorithm using the spatial reuse gain of the cell in four steps. The first step is priority assignment to CUE. The D2D pairs are selected using an innovative and effective D2D selection procedure which is the second step. The first two steps result in a CUE-D2D matching. The third step is a fast, effective, analytically proven, and closed-form feasibility check theorem that evaluates the feasibility of the resource allocation problem corresponding to the CUE-D2D matching. Using the difference of concave functions property of the objective function, we propose an optimal power allocation using the majorization-minimization (MaMi) technique. The innovative matching procedure, the closed-form feasibility check theorem, and the optimal power allocation cause the proposed scheme to outperform existing methods in dense cellular networks. The performance of the proposed scheme is acceptable but lower than competitive approaches in low-density schemes. We have also investigated distributed schemes in this research. Considering the powerful tool of game theory, we have modeled the optimization problem as a pricing game. In the proposed scheme, a price is set by the base station (BS) for each CL. In the first phase, each CUE and D2D pair tries to maximize its own utility function as a player of the game. At the second phase, the network adjusts the prices of CLs based on the QoS constraints of CUEs and D2D pairs. The repetition of the mentioned phases maximizes the SE of the network in a distributed manner. The reward term of the utility function of each of the UEs is defined based on the achievable data rate of that UE while the penalty term is defined based on the interference that the UE imposes on other UEs. The defined reward and penalty terms cause the proposed scheme to have higher performance and to be more effective compared to other existing methods. The strategy of CUEs is to adjust their transmission powers while the strategy of D2D pairs is to adjust their transmission powers and CLs.
استاد راهنما :
محمدجواد اميدي
استاد مشاور :
فروغ السادات طباطبا
استاد داور :
علي محمد دوست حسيني، مهرداد اردبيلي پور