Interference management in device-to-devide multicast communication in 5G Network

Abstract

La aparición de servicios multimedia ha significado el aumento sustancial del número de dispositivos en las redes móviles e impulsando la demanda de mayores tasas de transmisión de datos, de manera continuada. El resultado es que las redes celulares deben evolucionar técnicamente para soportar mayores tasas, para dotarse de mayor capacidad y para incrementar la eficiencia espectral y energética. En comparación con la tecnología 4G, las redes 5G se están diseñando para transmitir hasta 100 veces más volumen de datos, a tasas hasta 100 veces mayores, con dispositivos cuya batería sea 10 veces más duradera y con muy bajo retardo. Para ello, esta nueva generación de redes ha adoptado una arquitectura heterogénea y ultradensa, donde se conjugan diferentes avances tecnológicos como las comunicaciones dispositivo-a-dispositivo (D2D), la transmisión MIMO o las ondas milimétricas con el fin de materializar los objetivos 5G antes de 2020. Las comunicaciones D2D son uno de los elementos clave de las redes 5G, con apli-caciones inmediatas como la distribución de la carga de tráfico (data offloading), las comunicaciones para servicios de emergencias, la extensión de la cobertura celular, etcétera. En este modelo de comunicaciones dos dispositivos pueden comunicarse directamente si están próximos entre sí, sin hacer uso de una estación base o un punto de acceso remoto. En este tesis, estamos interesados en las comunicaciones D2D multicast underlay o D2MD, lo que implica que consideramos no sólo un par emisor-receptor sino un grupo de terminales relativamente próximos en los que uno de ellos actúa como transmisor de un flujo de datos hacia los demás. El término underlay significa que se reutilizan los mismos canales de comunicaciones —en concreto, los mismos bloques de recursos o RB— que emplean los terminales de la red celular en las bandas de frecuencia asignadas bajo licencia. Es claro que la solución D2MD underlay permite aumentar la capacidad de la red y mejora tanto la eficiencia espectral como la energética sobre el D2D simple, mientras que la opción multicast reduce la necesidad de señales de control y ahorra recursos de transmisión. Sin embargo, también resulta en mayor interferencia co-canal e interferencias entre las entidades que utilizan los mismos canales para transmitir. Por lo tanto, el control del nivel de interferencias resulta fundamental si se quiere utilizar eficientemente D2MD en las redes 5G. En sí mismo, además, las comunicaciones D2MD introducen sus propios aspectos técnicos: formación del grupo de terminales, elección de la cabeza del grupo, limitaciones debidas al peor canal de comunicación con os receptores y otras similares. Esta tesis analiza en detalle la eficiencia energética de las redes inalámbricas con comunicaciones D2MD underlay. Mostramos en la tesis que, con un modelo matematico de complejidad relativamente reducida, es posible calcular la región de capacidad de esta clase de sistemas, donde la región de capacidad se define como la región R ⊂ R2 de puntos (r, e) tales que la red alcanza una tasa de transmisión de r bits/s para una eficiencia en energía e. En todos los casos de interés, y con independencia de la manera en que se haya decidido la formación de los clústeres de terminales, esta región de capacidad es convexa y se caracteriza por crecer de forma aproximadamente logarítmica con la potencia de transmisión hasta alcanzar un punto de saturación donde incrementos ulteriores de esa potencia no dan lugar a mejor tasa de transmisión. Es decir, el modelo que proponemos en la tesis identifica correctamente el nivel óptima de interferencia en el que la red equilibra las condiciones de eficiencia de energía con la consecución de una tasa de transmisión fijada de antemano. El modelo, además, admite múltiples generalizaciones con solo reinterpretar adecuadamente los términos que aparecen en las fórmulas fundamentales, tales como: a) Incluye las transmisiones full-duplex, esto es, los casos en que un dispositivo es capaz de transmitir y recibir simultáneamente sobre el mismo canal de co-municaciones. En otras palabras, el modelo contempla también los casos de auto-interferencia en los dispositivos; b) Puede extenderse fácilmente para considerar las comunicaciones con múltiples antenas transmisoras y receptoras (MIMO). MIMO es otra de las tecnologías clave para las futuras redes 5G; c) Aunque se han estudiado únicamente funciones afines para el consumo de energía en los dispositivos, los modelos de la tesis se generalizan de inmediato para funciones de consumo no lineales, siempre que sean convexa. Este caso incluye el de curvas de consumo de muchos dispositivos reales; d) La optimización de la eficiencia energética en esta tesis se ha hecho desde dos puntos de vistas complementarios: la global del sistema y la eficiencia individual de los terminales. Aunque en lo que concierne a la región de capacidad no hay una diferencia esencial entre las dos —y esta es una de las conclusiones principales de la tesis—, tiene interés en muchas situaciones diseñar una red inalámbrica con un criterio de prestaciones de peor caso o max-min, como éste. Lo que la tesis explica es, precisamente, que este requisito max-min no afecta significativamente a la forma de la región de capacidad del sistema; e) La tasa de transmisión sobre un canal es la tasa ergódica (Shannon) de un canal punto a punto sujeto a desvanecimiento Rayleigh. Con las debidas modificaciones de esta fórmula clásica, es posible ampliar el modelo para analizar los sistemas de comunicaciones no ortogonales (NOMA). El empleo de señales no ortogonales permite una dimensión adicional para el ahorro de energía, tal como se explica más adelante. A diferencia de los casos anteriores, esta modificación no es tan sencilla. Otra característica novedosa del modelo es que contempla explícitamente la compar-tición fraccionaria de recursos. Eso significa que un mismo canal de transmisión (un RB) puede ser compartido entre varios usuarios que transmiten sobre él, y también que un dispositivo de transmisión puede utilizar simultáneamente más de un canal de comunicaciones para alcanzar la tasa que desea, dividiendo de forma óptima la potencia disponible entre ellos. Desde un punto de vista técnico, este hecho no supone una complejidad especial, ya que los terminales disponen desde hace tiempo de varias antenas que se pueden emplear independientemente sobre el mismo o sobre distintos canales. Así pues, esta hipótesis de trabajo es realista y razonable.