OPLINQ: Opportunistic link scheduling for massive device-to-device mmWave communication networks

Abstract

Milimetre-dalga boyuna (mmWave) sahip haberleşme ağları, çok geniş bant aralıkları gerektiren yeni nesil haberleşme sistemleri için umut vaat eden bir teknolojidir. mmWave uyumlu 5G haberleşme sistemleri için öne çıkan önemli bir uygulama alanı olarak, cihazdan cihaza haberleşme yöntemleri gösterilmektedir. Cihazdan cihaza haberleşme, son kullanıcı için daha yüksek veri hızı sunmakla beraber daha yüksek kalitede bir deneyim sağlamaktadır. Ancak, mmWave haberleşme sistemlerinin objelerden kaynaklı blokaj, hatalı hizalanmadan kaynaklı sağırlık ve doğrusal karakterinden kaynaklı, operatörler için maliyetli olan ışın arama işlemi gibi temel problemleri bulunmaktadır. Ayrıca, bu henüz tam olarak çözülememiş problemler kalabalık ve hareketli D2D haberleşme ağları içerisinde daha da büyümektedir. Bu tez çalışmasında, fiziksel ve çoklu-erişim katmanlarını çok adımlı yönlendirme mekanizması ile bir araya getiren kullanşlı ve oportunist mmWave D2D link düzenleme protokolü önerilmektedir. Buna ek olarak, önerilen sistem ağ içerisindeki mobilite ve gerçek zamanlı kanal koşullarını değerlendirerek güç ve hız düzenlemesini de mümkün kılmaktadır. Önerilen link düzenleme algoritmaları gerçekçi topolojiler kullanılarak bilgisayar ortamında simuleedilmiştir ve hiç bir düzenleme ya da sinyal girişiminin olmadığı bir sistem ile karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlarda önerilen sistemin kalabalık ve hareketli mmWave D2D haberleşme ağlarında önemli gelişmeler sağladığı görülmüştür.

mmWave communications networking is a promising physical layer technology for the requirement of the huge bandwidth in next generation 5G infrastructures. One of the emerging important applications for 5G mmWave architectures is device-to-device communications (D2D) among the mobile nodes with direct physical layer communication links. D2D communication systems are able to provide higher data rates as well as provide better QoS for end-users. However, mmWave communication channels have fundamental problems such as blockage due to objects, deafness due to incorrect alignment and costly beam searching due to directional property of beamforming. Furthermore, the problems become significant in dense and mobile D2D communication networks without any practical solution available currently. In this thesis work, a practical and opportunistic mmWave D2D link scheduling protocol is proposed which provides a cross-layer architecture combining physical and multiple access layers with a multi-hop relaying mechanism. In addition, it provides power and rate scheduling while considering real time channel conditions and mobility of the users. The proposed scheduling algorithm is numerically simulated for practical network topologies and compared with the case without any scheduling or interference control. The proposed solution provides significant advantages in dense and mobile mmWave D2D communication networks and is a promising solution for next generation 5G D2D communication architectures.