| Titre : | Device-to-Device communication control in 5G networks |
| Auteurs : | Mohamed Kamel Benbraika, Auteur ; Salim Bitam, Directeur de thèse |
| Type de document : | Thése doctorat |
| Editeur : | Biskra [Algérie] : Faculté des Sciences Exactes et des Sciences de la Nature et de la Vie, Université Mohamed Khider |
| Format : | 1 vol. (63 p.) / couv. ill. en coul / 30 cm |
| Langues: | Français |
| Mots-clés: | Réseaux cellulaires 5G, communication D2D, recuit simulé, BLA, PSO, GA |
| Résumé : |
Au cours de la dernière décennie, le nombre d'utilisateurs mobiles a connu une croissance énorme, entraînant une surcharge sur le cœur du réseau cellulaire. Pour suivre ce développement des réseaux cellulaires, de nombreuses technologies sont examinées pour passer à la prochaine génération des réseaux cellulaires « la cinquième génération » (5G). L'une de ces technologies promet de décharger le cœur du réseau, d'améliorer l'efficacité spectrale et la consommation d’énergie, de réduire les délais et de maximiser le débit global. Toutes ces promesses ont été faites par la technologie de communication Device-to-Device (D2D). La communication D2D est une communication directe entre les appareils sans impliquer la station de base (BS). La technologie de communication D2D doit relever de nombreux défis pour tenir ses promesses. L'allocation des ressources et le contrôle efficace de la puissance permettent de minimiser les interférences et de maximiser le débit global. Dans cette thèse, nous étudions leproblème conjoint d'allocation des ressources et de contrôle d’énergie pour les communications D2D dans les réseaux cellulaires de la 5G. Dans cette thèse, nous proposons l'utilisation d'une méthode bio-inspirée en raison de ses propriétés efficaces telles que l'auto-organisation, l'autonomie, l'évolutivité et l'adaptation. L'algorithme Bee Life (BLA) a obtenu les meilleurs résultats pour de nombreux problèmes tels que la planification des tâches dans le cloud computing et le routage de paquets dans les réseaux ad hoc et les réseaux véhiculaires. Pour ces raisons, nous avons adopté BLA pour résoudre le problème de contrôle conjoint du spectre et de la puissance pour les communications D2D dans les réseaux cellulaires 5G Par la suite, nous avons proposé une nouvelle approche bio-inspirée appelée « an enhanced Bee Life Algorithm for spectrum allocation and power control in D2D communications (EBLAD2D) ». L'E-BLAD2D est considéré comme une méta-heuristique basée sur la population, suggérant une génération initiale de population sur la base d'un algorithme de recuit simulé. Cette initialisation non aléatoire augmente la capacité d'obtenir des solutions prometteuses pour atteindre des communications D2D optimales dans les réseaux cellulaires 5G avec la meilleure allocation de spectre et le meilleur contrôle de puissance. E-BLAD2D s'appuie également sur des comportements de reproduction et de recherche de nourriture inspirés des colonies d'abeilles contribuant à ce processus d'optimisation. Après cela, nous avons proposé une autre solution pour le problème conjoint basée sur le « Matching Algorithm » et BLA nommée « Matching Bees Algorithm (MBA) ». Cette dernière proposition consiste à utiliser l'algorithme de correspondance (un-à-plusieurs avec externalités) pour générer la population initiale en allouant de manière optimale les ressources et de l'utilisation de BLA pour atteindre la meilleure solution. Les trois algorithmes proposés permettent d'obtenir un meilleur débit de réseaux par rapport à l'algorithme génétique (GA) et à l'optimisation de l'essaim de particules (PSO) qui sont largement utilisés pour résoudre l'allocation des spectres et le contrôle d’énergie. |
| Sommaire : |
Contents List of Figures……………………………………………………………………………. List of Tables…………………………………………………………………………….. Introduction……………………………………………………………………………… 1 1. Chapter 01: An Overview on 5G Cellular Networks and D2D Communications ...… 4 1.1. Introduction……………………………………………………………………… 4 1.2. Cellular mobile networks evolution (from 1G to 4G)…………………………… 4 1.3. Moving Towards fifth generation (5G)………………………………………….. 6 1.3.1. Mobile Broadband Enhancement………………………………………… 6 1.3.2. Massive Machine Communications……………………………………… 6 1.3.3. Low‐latency and Ultra‐reliable Communications………………………... 7 1.4. 5G Networks technologies……………………………………………………….. 8 1.4.1. Millimeter Wave (mmWave)…………………………………………….. 8 1.4.2. Massive Multiple Input Multiple Output (Massive MIMO or mMIMO)… 9 1.4.3. Ultra Dense Network (UDN)…………………………………………….. 10 1.4.4. D2D communication for 5G……………………………………………... 10 1.5. D2D Communications: an overview ……………………………………………... 11 1.6. Basics of D2D communications………………………………………………….. 12 1.6.1. In-band D2D communication…………………………………………….. 13 a. In-band underlay communication……………………………………………... 13 b. In-band overlay communication………………………………………………. 13 1.6.2. Out-band D2D communication…………………………………………... 13 a. Out-band autonomous communication……………………………………….. 13 b. Out-band controlled communication………………………………………….. 14 1.7. D2D communication : use cases and enabling technologies……………………… 14 1.7.1. D2D communications use cases………………………………………….. 14 a. Traffic offloading……………………………………………………………... 14 b. Provision of emergency services……………………………………………… 14 c. Extension of cellular coverage………………………………………………… 15 d. Reliable health monitoring……………………………………………………. 15e. Mobile tracking and positioning………………………………………………. 16 f. Data dissemination……………………………………………………………. 16 1.7.2. Enabling technologies……………………………………………………. 16 a. UWB communications………………………………………………………... 16 b. Zigbee…………………………………………………………………………. 17 c. Bluetooth Low Energy technology……………………………………………. 17 1.8. D2D Communication in 5G technologies………………………………………… 17 1.8.1. Hyper dense networks……………………………………………………. 17 1.8.2. Multi user MIMO and massive MIMO…………………………………… 18 1.8.3. Energy harvesting in D2D communication………………………………. 19 1.8.4. Exploiting new spectrum bands…………………………………………... 19 1.9. D2D Communication Challenges………………………………………………… 20 1.9.1. Device Discovery………………………………………………………… 21 a. Centralized discovery…………………………………………………………. 22 b. Distributed discovery………………………………………………………….. 22 1.9.2. Mode selection…………………………………………………………… 23 1.9.3. Mobility Management……………………………………………………. 23 1.9.4. Privacy and Security in D2D Communications………………………….. 25 1.9.5. Resource Management…………………………………………………… 26 a. Interference management……………………………………………………... 27 b. Power control…………………………………………………………………. 28 1.10. Conclusion………………………………………………………………………... 28 2. Chapter 02: Related Work…………………………..………………………………… 29 2.1. Introduction………………………………………………………………………. 29 2.2. Resource Management for D2D communication………………………………… 29 2.2.1. Overlay D2D communications…………………………………………… 29 2.2.2. Underlay D2D communications………………………………………….. 30 2.3. Power Control for D2D communication…………………………………………. 30 2.4. Evaluation Metrics for Channel Allocation and Power Control…………………. 31 2.4.1. Energy efficiency………………………………………………………… 31 2.4.2. Spectral efficiency………………………………………………………... 31 2.4.3. Network throughput……………………………………………………… 31 2.4.4. Sum rate…………………………………………………………………... 31 2.4.5. Ergodic capacity………………………………………………………….. 31 2.4.6. Interference……………………………………………………………….. 31 2.5. Related Work of Resource Allocation and Power Control (RA&PC)……………. 32 2.6. System model for joint RA&PC in D2D communication underlay 5G………….. 38 2.7. Conclusion………………………………………………………………………... 42 3. Chapter 03: Bees Life Algorithm for Spectrum Allocation and Power Control in D2D Communications……………………………………………………………………… 43 3.1. Introduction……………………………………………………………………….. 43 3.2. Motivation………………………………………………………………………... 43 3.3. The Bee Life Algorithm (BLA)………………………………………………….. 43 3.3.1. Bees in nature…………………………………………………………….. 44 3.3.2. Bee life algorithm inspiration…………………………………………….. 44 A. Fitness function……………………………………………………………….. 45 B. Crossover Operation…………………………………………………………... 45 C. Mutation Operation……………………………………………………………. 46 D. Food Foraging………………………………………………………………… 46 E. BLA Computational Complexity……………………………………………… 48 3.4. Simulation and results……………………………………………………………. 49 3.4.1. BLA Convergence and quality performances evaluation…………………. 50 3.4.2. Number of D2D pairs…………………………………………………….. 51 3.4.3. Effect of D2D pairs on network performance……………………………. 52 3.5. An enhanced Bee Life Algorithm for spectrum allocation and power control in D2D communications (E-BLAD2D)………………………………………………... 53 3.5.1. Simulated Annealing Algorithm………………………………………….. 53 3.5.2. Bee Life Algorithm……………………………………………………….. 54 A. Encoding and evaluation of an Individual…………………………………….. 55 B. Objective function (fitness)…………………………………………………… 55 C. Crossover operator…………………………………………………………….. 56 D. Mutation operator……………………………………………………………... 56 E. Food foraging process…………………………………………………………. 56 3.6.An enhanced Bee Life Algorithm for spectrum allocation and power control in D2D communications: our proposal……………………………………………………… 57 A. Computational Complexity of E-BLAD2D……………………………………. 59 3.7.Simulation and Numerical Results………………………………………………… 60 A. Convergence of the E-BLAD2D algorithm……………………………………. 61 B. Impact of the D2D pairs on network performance…………………………….. 62 3.8. Conclusion………………………………………………………………………... 65 4. Chapter 04: Matching Bees Algorithm for Spectrum Allocation and Power Control in D2D Communications………………………………………………………………... 66 4.1. Introduction………………………………………………………………………. 66 4.2. Matching Bees Algorithm………………………………………………………… 66 4.2.1. Initialization with Matching Algorithm………………………………….......... 68 4.2.2. The Bee Life Algorithm……………………………………………………….. 68 4.2.3. Computational Complexity of MBA…………………………………………... 71 4.3. Simulation and numerical results…………………………………………………. 71 4.3.1. Convergence of the MBA algorithm…………………………………………... 72 4.3.2. Effect of D2D pairs number on network performance………………………… 73 4.3.3. Rate constraint impact on acceptance ratio…………………………………….. 76 4.4. Conclusion………………………………………………………………………… 78 Conclusion………………………………………………………………………………... 68 Bibliography……………………………………………………………………………… 69 |
| En ligne : | http://thesis.univ-biskra.dz/5509/1/BMK%20Final%20Thesis.pdf |
Disponibilité (1)
| Cote | Support | Localisation | Statut |
|---|---|---|---|
| TINF/163 | Théses de doctorat | bibliothèque sciences exactes | Consultable |
