Contemporary electromagnetic spectrum reuse techniques: tv white spaces and D2D communications

• Main Author: Carlos Filipe Moreira e Silva
• Other Authors: Francisco Rodrigo Porto Cavalcanti
• Format: Others
• Language: English
• Published: Universidade Federal do Cearà 2015
• Subjects: GestÃo de espectro electromagnÃtico; TelevisÃo; AnÃlise SWOT; AvaliaÃÃo tecnoeconÃmica; ComunicaÃÃes diretas dispositivo-a-dispositivo; Descoberta de vizinhos; InterferÃncia de co-canal; SeleÃÃo de banda; Electromagnetic spectrum management; Television; White spaces; SWOT analysis; Tecno-evaluation; Device-to-device communications; Neighbor discovery; Co-channel interference; Band selection; TELECOMUNICACOES
• Online Access: http://www.teses.ufc.br/tde_busca/arquivo.php?codArquivo=16340

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior === Over the last years, the wireless broadband access has achieved a tremendous success. With that, the telecommunications industry has faced very important changes in terms of technology, heterogeneity, kind of applications, and massive usage (virtual data tsunami) derived from the introduction of smartphones and tablets; or even in terms of market structure and its main players/actors. Nonetheless, it is well-known that the electromagnetic spectrum is a scarce resource, being already fully occupied (or at least reserved for certain applications). Tra- ditional spectrum markets (where big monopolies dominate) and static spectrum management originated a paradoxal situation: the spectrum is occupied without actually being used! In one hand, with the global transition from analog to digital Television (TV), part of the spectrum previously licensed for TV is freed and geographically interleaved, originating the consequent Television White Spaces (TVWS); on the other hand, the direct communications between devices, commonly referred as Device-to-Device (D2D) communications, are attracting crescent attention by the scientific community and industry in order to overcome the scarcity problem and satisfy the increasing demand for extra capacity. As such, this thesis is divided in two main parts: (a) Spectrum market for TVWS: where a SWOT analysis for the use of TVWS is performed giving some highlights in the directions/actions that shall be followed so that its adoption becomes effective; and a tecno-economic evaluation study is done considering as a use-case a typical European city, showing the potential money savings that operators may reach if they adopt by the use of TVWS in a flexible market manner; (b) D2D communications: where a neighbor discovery technique for D2D communications is proposed in the single-cell scenario and further extended for the multi-cell case; and an interference mitigation algorithm based on the intelligent selection of Downlink (DL) or Uplink (UL) band for D2D communications underlaying cellular networks. A summary of the principal conclusions is as follows: (a) The TVWS defenders shall focus on the promotion of a real-time secondary spectrum market, where through the correct implementation of policies for protection ratios in the spectrum broker and geo-location database, incumbents are protected against interference; (b) It became evident that an operator would recover its investment around one year earlier if it chooses to deploy the network following a flexible spectrum market approach with an additional TVWS carrier, instead of the traditional market; (c) With the proposed neighbor discovery technique the time to detect all neighbors per Mobile Station (MS) is significantly reduced, letting more time for the actual data transmission; and the power of MS consumed during the discovery process is also reduced because the main processing is done at the Base Station (BS), while the MS needs to ensure that D2D communication is possible just before the session establishment; (d) Despite being a simple concept, band selection improves the gains of cellular communications and limits the gains of D2D communications, regardless the position within the cell where D2D communications happen, providing a trade-off between system performance and interference mitigation. === Nos Ãltimos anos, o acesso de banda larga atingiu um grande sucesso. Com isso, a indÃstria das telecomunicaÃÃes passou por importantes transformaÃÃes em termos de tecnologia, heterogeneidade, tipo de aplicaÃÃes e uso massivo (tsunami virtual de dados) em consequÃncia da introduÃÃo dos smartphones e tablets; ou atà mesmo na estrutura de mercado e os seus principais jogadores/atores. PorÃm, à sabido que o espectro electromagnÃtico à um recurso limitado, estando jà ocupado (ou pelo menos reservado para alguma aplicaÃÃo). O mercado tradicional de espectro (onde os grandes monopÃlios dominam) e o seu gerenciamento estÃtico contribuÃram para essa situaÃÃo paradoxal: o espectro està ocupado mas nÃo està sendo usado! Por um lado, com a transiÃÃo mundial da TelevisÃo (TV) analÃgica para a digital, parte do espectro anteriormente licenciado para a TV à libertado e geograficamente multiplexado para evitar a interferÃncia entre sinais de torres vizinhas, dando origem a ÂespaÃos em branco na frequÃncia da TV ou Television White Spaces (TVWS); por outro lado, as comunicaÃÃes diretas entre usuÃrios, designadas por comunicaÃÃes diretas Dispositivo-a-Dispositivo (D2D), està gerando um crescente interesse da comunidade cientÃfica e indÃstria, com vista a ultrapassar o problema da escassez de espectro e satisfazer a crescente demanda por capacidade extra. Assim, a tese està dividida em duas partes principais: (a) Mercado de espectro eletromagnÃtico para TVWS: onde à feita uma anÃlise SWOT para o uso dos TVWS, dando direÃÃes/aÃÃes a serem seguidas para que o seu uso se torne efetivo; e um estudo tecno-econÃmico considerando como cenÃrio uma tÃpica cidade Europeia, onde se mostram as possÃveis poupanÃas monetÃrias que os operadores conseguem obter ao optarem pelo uso dos TVWS num mercado flexÃvel; (b) ComunicaÃÃes D2D: onde uma tÃcnica de descoberta de vizinhos para comunicaÃÃes D2D à proposta, primeiro para uma Ãnica cÃlula e mais tarde estendida para o cenÃrio multi-celular; e um algoritmo de mitigaÃÃo de interferÃncia baseado na seleÃÃo inteligente da banda Ascendente (DL) ou Descendente (UL) a ser reusada pelas comunicaÃÃes D2D que acontecem na rede celular. Um sumÃrio das principais conclusÃes à o seguinte: (a) Os defensores dos TVWS devem-se focar na promoÃÃo do mercado secundÃrio de espectro electromagnÃtico, onde atravÃs da correta implementaÃÃo de politicas de proteÃÃo contra a interferÃncia no broker de espectro e na base de dados, os usuÃrios primÃrio sÃo protegidos contra a interferÃncia; (b) Um operador consegue recuperar o seu investimento aproximadamente um ano antes se ele optar pelo desenvolvimento da rede seguindo um mercado secundÃrio de espectro com a banda adicional de TVWS, em vez do mercado tradicional; (c) Com a tÃcnica proposta de descoberta de vizinhos, o tempo de descoberta por usuÃrio à significativamente reduzido; e a potÃncia consumida nesse processo à tambÃm ela reduzida porque o maior processamento à feito na EstaÃÃo RÃdio Base (BS), enquanto que o usuÃrio sà precisa de se certificar que a comunicaÃÃo direta à possÃvel; (d) A seleÃÃo de banda, embora seja um conceito simples, melhora os ganhos das comunicaÃÃes celulares e limita os das comunicaÃÃes D2D, providenciando um compromisso entre a performance do sistema e a mitigaÃÃo de interferÃncia.