Device-to-device communication in cellular networks

Abstract

Tato disertační práce se zabývá výzvami spojenými s integrací přímé komunikace mezi dvěma zařízeními (Device-to-Device, D2D) do mobilních sítí. V práci je demonstrován potenciál D2D komunikace prostřednictvím efektivního přidělování rádiových zdrojů (Radio Resource Management, RRM) a technik pro řízení mobility. Hlavní přínosy práce spočívají ve výběru retranslačních zařízení, volbě režimu komunikace a alokaci zdrojů pro D2D komunikaci v mobilních sítích. V práci je nejprve řešena D2D komunikace s více hopy, kde retranslace probíhá přes uživatelské zařízení (D2D User Equipment) přenášející data ze zdrojového DUE k cílovému DUE. Pro optimalizaci výběru retranslačního zařízení a zvýšení kapacity a spolehlivosti vícehopového přenosu je aplikován genetický algoritmus. Dále jsou zkoumány scénáře s více zdrojovými DUE, které vysílají ke svým cílovým DUE prostřednictvím sdíleného retranslačního DUE. Za účelem zvýšení spektrální účinnosti je navrženo schéma výběru retranslačního zařízení umožňující vícenásobné využití komunikačního kanálu. Nad rámec výběru retranslačního zařízení je dále navržen multicastový přenos s prekodováním, který pomáhá řídit rušení a zajistit spolehlivou komunikaci. V případě mobilních DUE je dále optimalizována volba komunikačního režimu (přes základnovou stanici, přes retranslační zařízení, nebo D2D komunikace) společně s výběrem retranslačního zařízení a alokací zdrojů. Je navržen greedy algoritmus pro snížení složitosti řešení spočívající v předvýběru komunikačního módu a retranslačních zařízeních. Poté je navržen rozšířený algoritmus, který integruje všechny tři řešené problémy. Praktické aspekty, jako je složitost algoritmu, odhad kvality kanálu a signalizační procedury, jsou rovněž diskutovány s cílem podpořit efektivní implementaci v mobilních sítích. Navržené metody řeší klíčové výzvy, jako jsou výběr retranslačního zařízení, řízení rušení a alokace zdrojů. Tato řešení mají za cíl umožnit praktickou a efektivní D2D komunikaci pro mobilní sítě nové generace, včetně sítí šesté generace (6G). Kombinací RRM, mechanismů zohledňujících mobilitu a strategií retranslace tato práce přispívá k vývoji spolehlivých a D2D systémů s vysokou komunikační kapacitou vhodných pro hustá a dynamická síťová prostředí.

This dissertation thesis addresses challenges of integrating Device-to-Device (D2D) communication into mobile networks. We demonstrate the potential of D2D communication through effective radio resource management (RRM) and mobility management techniques. The primary contributions focus on relay selection, mode selection, and resource allocation for D2D communication in mobile networks. First, we focus on multi-hop D2D communication, where D2D User Equipments (DUEs) are used to forward data from a Source DUE to a Destination DUE. A genetic algorithm is applied to optimize relay selection and improve the capacity and reliability of multi-hop transmissions. Second, we explore scenarios with multiple Source DUEs transmitting to their respective Destination DUEs via a shared Relay DUE. To enhance spectral efficiency, we propose a relay selection scheme that enables channel reuse. On top of the relay selection, we also propose multicast transmission with precoding to manage interference and ensure reliable communication. Finally, for mobile DUEs, we jointly optimize communication mode selection (cellular, relay, or D2D), relay selection, and resource allocation. A greedy approach is introduced to reduce the complexity of the proposed solution by communication mode and relay pre-selection, followed by an enhanced algorithm that integrates all factors. Practical considerations, such as algorithm complexity, channel quality estimation, and signaling procedures, are also discussed to support effective implementation in mobile networks. The proposed methods address key challenges such as relay selection, interference management, and resource allocation. These solutions aim to enable practical and efficient D2D communication for next-generation cellular networks, including sixth-generation (6G) systems. By combining RRM, mobility-aware mechanisms, and relaying strategies, this work supports the development of reliable, high-capacity D2D systems suitable for dense and dynamic network environments.