Device-to-device communication and wearable networks harnessing spatial proximity

Abstract

Spatially proximal devices wanting to exchange information are expected to become more prevalent in wireless networks, rendering the option for direct device-to-device (D2D) communication increasingly important. On the one hand, within networks where communication via infrastructure has been the convention, enabling such an option for short-range and single-hop communication between co-located devices might potentially bring about performance benefits on several accounts. On the other hand, in the realm of networks where direct interaction between devices has been an obvious option, there is a growing demand for supporting extreme-data-rate applications and much denser deployments of simultaneous transmissions. This dissertation explores these aspects by addressing two main problems: (i) analyzing the performance benefits of D2D communication integrated into cellular mobile networks, and (ii) investigating the feasibility of mmWave (millimeter wave) frequencies for personal networks of wearable (body-born) devices in enclosed settings. Under sufficient spatial locality in wireless traffic within cellular networks, the D2D mode of communication can be leveraged to employ a denser spectral reuse, thereby achieving very high area spectral efficiencies (bits/s/Hz per unit area). Enabling D2D entails a reshaping of the network topology comprising the sources of useful signal and harmful interference from the vantage of each receiver, which is a factor that delimits network performance fundamentally. Therefore, to gauge the performance gains of D2D and to identify the challenges thereof, it is essential to model D2D communication in a large multicellular setting, without missing key features of the ensuing interference environment. In this regard, we develop a robust analytical framework, utilizing tools from stochastic geometry. The dissertation propounds a novel approach to the application of stochastic geometry that is shown to improve the simplicity, accuracy, and generality of wireless network analysis. The performance evaluation conducted using the framework, while demonstrating the potential of D2D, also indicates the need for managing the interference surge. Prompted by this, and to illustrate the flexibility of the framework, we further extended it to incorporate interference protection schemes based on exclusion regions and the benefits thereof are assessed. The presence of multiple wearable networks—each comprising several on-body device-pairs worn by people—in proximity might result in an extreme density of simultaneous wireless transmissions. Such a scenario is expected to become commonplace in enclosed settings, e.g., commuter trains, subways, airplanes, airports or offices, and be further challenging due to an increasing demand for data-rate-intensive wireless applications in wearable technology. This combination of very-short-range communication, high-data-rate applications, and dense spectral reuse seems to render operation at mmWave frequencies a suitable candidate; add to that the possibility of accommodating antenna arrays within devices for directional beamforming. Hence, we investigate the feasibility of enclosed mmWave wearable networks, with a particular focus on appropriately modeling the impact of propagation mechanisms at these frequencies. In the propagation modeling, specular reflections off surfaces are explicitly accounted for, as they are expected to contribute useful signal power while, at the same time, intensify the interference. Recognizing the increased prominence of blocking by obstacles, body-blockages in the direct and reflected propagation paths are also modeled. The impact of these mechanisms on the spectral efficiency of the network is evaluated, aided by the application of stochastic geometry and random shape theory. Under relevant indoor settings, and in the plausible absence of strong direct signal, the reliability of surface reflections in providing useful signal power for efficient communication is investigated and the need for directional antennas is established.

Se espera que los dispositivos espacialmente proximales que desean intercambiar información se vuelvan más frecuentes en redes inalámbricas, lo que hace cada vez más importante la opción para la comunicación directa de dispositivo-a-dispositivo (D2D). Por un lado, dentro de las redes en las que la comunicación a través de la infraestructura ha sido la convención, permitir tal opción para la comunicación de corto alcance y single-hop entre dispositivos ubicados conjuntamente podría potencialmente generar beneficios de rendimiento en varios aspectos. Por otro lado, en el ámbito de las redes en las que la interacción directa entre dispositivos ha sido una opción obvia, existe una demanda creciente de soportar aplicaciones de velocidad extrema de datos e implementaciones mucho más densas de transmisiones simultáneas. Esta disertación explora dichos aspectos abordando dos problemas principales: (i) analizando los beneficios de rendimiento de la comunicación D2D integrada en las redes móviles celulares y (ii) investigando la viabilidad de las frecuencias mmWave (onda milimétrica) para redes personales de dispositivos wearables (usado en el cuerpo) en entornos cerrados. Bajo suficiente localidad espacial en el tráfico inalámbrico en redes celulares, el modo de comunicación D2D puede ser apalancado para emplear una reutilización espectral más densa, logrando así eficiencias espectrales de área muy alta (bits/s/Hz por unidad de área). La habilitación de D2D implica una remodelación de la topología de red que comprende las fuentes de señal útil e interferencia perjudicial desde la ventaja de cada receptor, lo cual es un factor que delimita el funcionamiento de la red de manera fundamental. Por tanto, para medir las ganancias de rendimiento de D2D y para identificar los retos de la misma, es esencial para modelar la comunicación D2D en un gran ajuste multicelular, sin faltar las características clave del entorno de interferencia resultante. En este sentido, se desarrolla un sólido marco analítico, utilizando herramientas de geometría estocástica. La disertación propone un nuevo enfoque para la aplicación de la geometría estocástica para mejorar la simplicidad, precisión y generalidad del análisis de redes inalámbricas. La evaluación realizada utilizando dicho enfoque, al mismo tiempo que demuestra el potencial de D2D, también indica la necesidad de manejar la oleada de interferencia. Impulsado por estos resultados, y para ilustrar la flexibilidad del marco, también se amplía para incorporar esquemas de protección contra interferencias basados en regiones de exclusión y se evalúan sus los beneficios. La presencia de redes wearables múltiples—cada una de las cuales comprende varios pares de dispositivos en el cuerpo desgastados por personas—en proximidad puede dar como resultado una densidad extrema de transmisiones inalámbricas simultáneas. Se espera que este escenario se convierta habitual en entornos cerrados, por ejemplo, trenes de cercanías, subterráneos, aviones, aeropuertos u oficinas, y será un reto adicional debido a la creciente demanda de aplicaciones inalámbricas intensivas en datos en tecnología wearable. Esta combinación de comunicaciones de muy corto alcance, en aplicaciones de alta velocidad de datos y de reutilización espectral densa parece hacer que la operación en las frecuencias mmWave sea un candidato adecuado; se añade la posibilidad de alojar conjuntos de antenas dentro de dispositivos para el beamforming direccionales. Por tanto, también se investiga la viabilidad de las redes wearables mmWave cerradas, con especial énfasis en modelar apropiadamente el impacto de los mecanismos de propagación en estas frecuencias. En el modelado de propagación, las reflexiones especulares de las superficies se explican explícitamente, ya que se espera que contribuyan a la potencia de la señal útil, mientras que, al mismo tiempo, intensificar la interferencia. Reconociendo la mayor prominencia del bloqueo por obstáculos, también se modelan los bloqueos corporales en los caminos de propagación directa y reflejada. El impacto de estos mecanismos en la eficiencia espectral de la red se evalúa, ayudado por la aplicación de la geometría estocástica y la teoría de la forma aleatoria. Bajo configuraciones internas relevantes, y en la ausencia plausible de señal directa fuerte, se investiga la fiabilidad de las reflexiones superficiales proporcionando potencia de señal útil para una comunicación eficiente y se establece la necesidad de antenas direccionales.