Clustering algorithm based on correlated shadow fading in D2D communication

One of the distinctive features in present-day society is the continuous need to obtain, transmit and exchange a flow of information that becomes more and more significant, articulated and extended every day. To satisfy these requirements and offer increasingly efficient quality standards, numerous mobile communication technologies have followed one another over the years, progressively more scalable and adaptable to the dynamics of our daily lives. In conjunction with the development of the Long Term Evolution (LTE) standard and in anticipation of the requirements of the fifth generation technology for digital cellular networks (5G), Device-to-Device (D2D) communication was introduced. This standard allows direct connection between the various devices that fall within an appropriate range of distance, using a portion of the radio resources used by the traditional network, primarily assisted by the radio base stations (BS). The purpose of this thesis is to study and deepen one of the intrinsic characteristics of wireless propagation, widely modeled over the years, exploiting its properties and peculiarities in order to apply the results in this new context. In particular, the phenomenon of Shadow Fading (SF) was analyzed, which describes the random perturbation that a signal undergoes in the path between transmitter and receiver, due to the obstacles between the two entities. Considering that pairs of close users will necessarily be characterized by obstructions of the same nature and impact, the intent of this work is to exploit this interdependence that is shown in the SF, and therefore in the SINR, in the initial stages of a D2D communication. Before establishing a direct link between two devices, a synchronization process must first be carried out through which the necessary time and frequency information is acquired for the subsequent phases. In the considered scenario, with partial or absent coverage by a BS, the entities responsible for providing such synchronization are called SyncRefs. In this context, the SF correlation can be exploited to triangulate the devices and create clusters of users who, having similar propagation characteristics, will be geographically close. In this way, synchronization operations can be distributed, reducing the number of links to be established with SyncRefs and decreasing the consequent generated interference. The first chapter focuses on the arrival of this new communication technology. After a brief review of the main stages in the development of wireless connections and the introduction to the new generation network, various D2D scenarios are described. Since D2D can operate overcoming the presence of the BSs, the main benefits and the consequent application scenarios of this technology are listed, among which there are rapid and energy-efficient information sharing, cellular data offloading, relieving congestion for the base station and network coverage extension. In addition, the main critical issues that arise in its implementation are described, including interference problems, safety and identification of the devices considered peers to establish a connection with. Moreover, some literature works that aim to solve the aforementioned difficulties are listed. Since D2D was first introduced in the specifications of the LTE standard, the second chapter briefly describes its architecture and the components necessary for the exchange of messages, as well as their structure. Furthermore, there is a description of the protocols which, similarly to the D2D, are implemented in the early connection phases, i.e. the acquisition of synchronization, in time and frequency terms, with a cell, obtaining the signals that allow such synchronization and the related system information contained. Finally, using the previously obtained data, the selection step of a network cell is described. The third chapter, on the other hand, describes the various scenarios in which a D2D communication can take place and, for each of them, the procedure required by the standard for acquiring synchronization. The new interface, called Sidelink, used to establish a direct connection, is introduced and, in parallel with the second chapter for the LTE standard, the signals adopted, in addition to the physical channels used for their transmission, are described in this section. Finally, the fourth chapter deals with the phenomenon of shadow fading, its correlation characteristics and the results that are evident from applying these properties in the context of a D2D communication. Starting from the approach used to define a cluster, a typical radio channel between two users is characterized, deepening the role of large-scale fluctuations. Subsequently, after briefly summarizing some works aimed at defining SF correlation, the most common model and the approach used in calculating its effect in a link between two devices is described. Regarding the implemented simulation, it is illustrated how to reproduce in a suitable way, also from the computational point of view, the effects discussed previously. The effectiveness of the user grouping process by exploiting the correlation element, is compared with the case in which each SF representation is independent from the others. This comparison is made on the basis of various parameters such as the average distance of the users of a cluster compared to the user, within the cluster, who has the best SINR with the SyncRefs, the maximum distance, the number of devices in the cluster and the probability of failing to form one. In each of the listed metrics, the proposed approach makes the formation of clusters more faithful to the geographical disposition of users. In addition, these parameters are evaluated for different user density in the area considered, varying both the number of devices considered and the extent of the geographical area. Finally, the influence of the number of available SyncRefs in the process of cluster generation is discussed.

Una delle caratteristiche distintive della società odierna è la continua necessità di ottenere, trasmettere e scambiare un flusso di informazioni che diventa quotidianamente sempre più significativo, articolato ed esteso. Per soddisfare questo bisogno ed offrire standard qualitativi sempre più efficienti, si sono succedute nel corso degli anni, e sono ancora oggi in continuo sviluppo e sperimentazione, numerose tecnologie di comunicazione mobile sempre più scalabili e adattabili alle dinamiche della nostra vita quotidiana. In concomitanza con lo sviluppo dello standard Long Term Evolution (LTE) e in previsione dei requisiti della quinta generazione di telefonia mobile (5G), è stata introdotta la comunicazione Device-to-Device (D2D). Questo standard permette il collegamento diretto tra i vari dispositivi che rientrano in un appropriato range di distanza, usando una porzione delle risorse radio impiegata dalla tradizionale rete, assistita in primis dalle stazioni radio base (BS). L’obiettivo di questa tesi è di studiare e approfondire una delle caratteristiche intrinseche della propagazione wireless, ampliamente modellate nel corso degli anni, sfruttando le sue proprietà e peculiarità in modo da applicarne i risultati in questo nuovo contesto. In particolare, è stato analizzato il fenomeno dello Shadow Fading (SF) che descrive la perturbazione aleatoria che un segnale subisce nel percorso tra trasmettitore e ricevitore, per via degli ostacoli presenti tra le due entità. Considerando che coppie di utenti prossimi saranno necessariamente caratterizzati da ostruzioni della stessa natura e impatto, l’intento di questo lavoro è quello di sfruttare questa interdipendenza che si mostra nello SF, e quindi nel SINR, nelle fasi iniziali di una comunicazione D2D. Prima di stabilire un link diretto tra due dispositivi, è necessario innanzitutto un processo di sincronizzazione tramite il quale si acquisiscono le necessarie informazioni di tempo e frequenza per le fasi successive. Nello scenario considerato, di copertura parziale o assente da parte di una BS, le entità responsabili di fornire tale sincronizzazione sono denominati SyncRefs. In questo contesto, la correlazione dello SF può essere sfruttata per triangolare i dispositivi e creare dei cluster di utenti che, avendo simili caratteristiche di propagazione, saranno prossimi geograficamente. In tal modo si possono distribuire le operazioni di sincronizzazione, riducendo il numero di link da stabilire con i SyncRefs e diminuendo la conseguente interferenza generata. Il primo capitolo si sofferma sull’avvento di questa nuova tecnologia di comunicazione. Dopo una breve rassegna delle principali tappe nello sviluppo dei collegamenti senza filo e l’introduzione alla rete di nuova generazione, sono descritti i vari modi in cui può essere implementato il D2D. Permettendo di operare superando la necessità della presenza della BS, sono successivamente elencati i principali benefici e i conseguenti scenari applicativi di tale tecnologia, tra cui sono di particolare rilievo la condivisone di contenuti e informazioni in maniera rapida ed energeticamente efficace, l’alleviamento della mole di collegamenti gestiti dalla stazione base e l’ampliamento della copertura di rete. Inoltre, sono descritte le principali criticità che sorgono nella sua implementazione, tra cui risaltano problematiche di interferenza, sicurezza e individuazione dei dispositivi considerati pari con cui stabilire un collegamento, e sono elencati alcuni approcci della letteratura che mirano a risolvere le suddette difficoltà. Poiché il D2D è stato introdotto per primo nelle specifiche dello standard LTE, il secondo capitolo descrive brevemente la sua architettura e le componenti necessarie allo scambio di messaggi, nonché la loro struttura. Inoltre, vengono illustrati i protocolli che, analogamente al D2D, sono implementati nelle prime fasi di collegamento e cioè l’acquisizione di sincronizzazione, in termini temporali e frequenziali, con una cella, l’ottenimento dei segnali che permettono tale sincronizzazione e le relative informazioni di sistema contenute. Infine, sfruttando i dati precedentemente ottenuti, è descritta la fase di selezione di una cella di rete. Il terzo capitolo descrive invece i vari scenari in cui può avvenire una comunicazione D2D e, per ognuno di essi, la procedura prevista dallo standard per acquisire la sincronizzazione. Viene introdotta la nuova interfaccia, denominata sidelink, usata per stabilire un collegamento diretto e sono descritti, parallelamente al secondo capitolo per lo standard LTE, i segnali utilizzati oltre ai canali fisici impiegati per la loro trasmissione. Il quarto capitolo, infine, tratta il fenomeno dello shadow fading, le sue caratteristiche di correlazione e i risultati che si evidenziano dall’applicare tali risultati nel contesto di una comunicazione D2D. Partendo dall’approccio utilizzato per stabilire la definizione di un cluster, viene caratterizzato un tipico canale radio tra due utenti, approfondendo il ruolo delle fluttuazioni a larga scala. Successivamente, dopo aver brevemente riepilogato alcuni lavori mirati a definire la correlazione, si descrive il più diffuso modello di rappresentazione e l’approccio usato nel calcolare il suo effetto in un link tra due dispositivi. In merito alla simulazione implementata, viene illustrato come riprodurre in maniera adatta, anche dal punto di vista computazionale, gli effetti discussi precedentemente. L’efficacia del processo di raggruppamento degli utenti sfruttando il carattere di correlazione, è confrontato con il caso in cui ogni rappresentazione di SF è indipendente rispetto alle altre. Questo confronto viene effettuato sulla base di vari parametri quali la distanza media degli utenti di un cluster rispetto all’utente che ha il collegamento migliore con i SyncRefs, la distanza massima, il numero di dispositivi nel gruppo e la probabilità di non riuscire a formarne uno. In ognuna delle metriche elencate, l’approccio proposto rende la formazione dei cluster più fedele alla disposizione geografica degli utenti. Inoltre, questi stessi parametri sono analizzati per valori diversi di densità di utenti presenti nell’area considerata, variando sia il numero di dispositivi considerati che l’estensione dell’area geografica. Infine, viene descritta l’influenza del numero di SyncRefs disponibili nel processo di formazione dei clusters.