Discrete and Continuous Models and Applied Computational ScienceDiscrete and Continuous Models and Applied Computational ScienceDiscrete and Continuous Models and Applied Computational Science2658-46702658-7149Peoples' Friendship University of Russia named after Patrice Lumumba (RUDN University)2022510.22363/2312-9735-2018-26-4-357-370Computer ScienceИнформатика и вычислительная техникаResearch ArticleSession-level control in heterogeneous mobile radio networks with device-to-device connectionsУправление потоками в гетерогенных мобильных сетях радиодоступа с соединениями устройство - устройствоAndreevSergey DАндреевСергей Дмитриевич

Cand.Sc., Ph.D., senior research scientist at Tampere University of Technology, Finland

кандидат технических наук, Ph.D, старший научный сотрудник Технологического университета г. Тампере, Финляндия

serge.andreev@gmail.comSamouylovKonstantin EСамуйловКонстантин Евгеньевич

Professor, Doctor of Technical Sciences, Professor of Department of Applied Probability and Informatics of Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN University)

профессор, доктор технических наук, профессор кафедры прикладной информатики и теории вероятностей

samuylov-ke@rudn.ruTyurlikovAndrey MТюрликовАндрей Михайлович

Professor, Doctor of Technical Sciences, Professor of Department of Infocommunication Systems of Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation

профессор, доктор технических наук, профессор кафедры инфокоммуникационных систем

turlikov@vu.spb.ruTampere University of TechnologyТехнологический университет г. ТампереPeoples’ Friendship University of Russia (RUDN University)Российский университет дружбы народовSaint-Petersburg State University of Aerospace InstrumentationСанкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения15122018264VOL 26, NO4 (2018)ТОМ 26, №4 (2018)35737021122018Copyright ©; 2018, Andreev S.D., Samouylov K.E., Tyurlikov A.M.Copyright ©; 2018, Андреев С.Д., Самуйлов К.Е., Тюрликов А.М.2018Andreev S.D., Samouylov K.E., Tyurlikov A.M.Андреев С.Д., Самуйлов К.Е., Тюрликов А.М.http://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.rudn.ru/miph/article/view/20225

In the emerging fifth-generation mobile networks, the challenge of system capacity and user connection quality boosting becomes increasingly important. To this aim, it is possible to apply a novel direct communication technique that is built upon device-to-device (D2D) connectivity. Such heterogeneous interactions allow to offload data flows from a cellular network into the D2D system, which may operate in unlicensed frequencies. However, there emerge several problems with interference coordination and radio resource allocation. This work considers a model of the direct communication system with cellular assistance, which serves user-initiated data flows (sessions), as well as proposes an algorithm to control traffic offloading from a cellular network onto the D2D connections. Analytical and simulation results are offered to investigate this heterogeneous system with D2D communication capabilities.

В перспективных мобильных сетях пятого поколения все более актуальной становится задача повышения ёмкости системы связи, а также качества пользовательского соединения. Для этих целей возможно применять новый способ прямого соединения пользователей, построенный на взаимодействии устройство-устройство (device-to-device, D2D). Такое гетерогенное взаимодействие позволяет выгружать потоки данных из сотовой сети в систему D2D, которая может функционировать на нелицензированных частотах. Однако при этом возникает ряд особенностей, связанных с учётом интерференции и распределением ресурсов радиоканала. В данной статье рассматривается модель системы прямых соединений D2D с сотовой поддержкой, обслуживающей потоки пользовательских данных (сессии), а также предлагается алгоритм управления выгрузкой трафика из сотовой сети на соединения D2D. Приводятся результаты аналитического и имитационного моделирования, позволяющие провести исследование гетерогенной системы связи с возможностью взаимодействия устройство-устройство.

Fifth-generation networksdirect connectivitydevice-to-device (D2D) communication with cellular assistancetraffic offloading controlСети пятого поколенияпрямое соединение пользователейсвязь устройствоустройство с сотовой поддержкой, управление выгрузкой трафикаJ. G. Andrews, S. Buzzi, W. Choi, S. V. Hanly, A. Lozano, A. C. K. Soong, J. C. Zhang, What Will 5G Be?, IEEE Journal on Selected Areas in Communications 32 (6) (2014) 1065–1082. doi:10.1109/JSAC.2014.2328098.What Will 5G Be? / J. G. Andrews, S. Buzzi, W. Choi et al. // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. - 2014. - Vol. 32, No 6. - Pp. 1065-1082. - ISSN 0733-8716. - DOI: 10.1109/JSAC.2014.2328098.F. Boccardi, R. W. Heath, A. Lozano, T. L. Marzetta, P. Popovski, Five Disruptive Technology Directions for 5G, IEEE Communications Magazine 52 (2) (2014) 74–80. doi:10.1109/MCOM.2014.6736746.Five Disruptive Technology Directions for 5G / F. Boccardi, R. W. Heath, A. Lozano et al. // IEEE Communications Magazine. - 2014. - Vol. 52, No 2. - Pp. 74-80. - ISSN 0163-6804. - DOI: 10.1109/MCOM.2014.6736746.A. Asadi, Q. Wang, V. Mancuso, A Survey on Device-to-Device Communication in Cellular Networks, IEEE Communications Surveys & Tutorials 16 (4) (2014) 1801–1819. doi:10.1109/COMST.2014.2319555.Asadi A., Wang Q., Mancuso V. A Survey on Device-to-Device Communication in Cellular Networks // IEEE Communications Surveys & Tutorials. - 2014. - Vol. 16, No 4. - Pp. 1801-1819. - ISSN 1553-877X. - DOI: 10.1109/COMST.2014.2319555.M. Haus, M. Waqas, A. Y. Ding, Y. Li, S. Tarkoma, J. Ott, Security and Privacy in Device-to-Device (D2D) Communication: a Review, IEEE Communications Surveys & Tutorials 19 (2) (2017) 1054–1079. doi:10.1109/COMST.2017.2649687.Security and Privacy in Device-to-Device (D2D) Communication: a Review / M. Haus, M. Waqas, A. Y. Ding et al. // IEEE Communications Surveys & Tutorials. - 2017. - Vol. 19, No 2. - Pp. 1054-1079. - ISSN 1553-877X. - DOI: 10.1109/COMST.2017.2649687.S. Andreev, J. Hosek, T. Olsson, K. Johnsson, A. Pyattaev, A. Ometov, E. Olshannikova, M. Gerasimenko, P. Masek, Y. Koucheryavy, T. Mikkonen, A Unifying Perspective on Proximity-Based Cellular-Assisted Mobile Social Networking, IEEE Communications Magazine 54 (4) (2016) 108–116. doi:10.1109/MCOM.2016.7452274.A Unifying Perspective on Proximity-Based Cellular-Assisted Mobile Social Networking / S. Andreev, J. Hosek, T. Olsson et al. // IEEE Communications Magazine. - 2016. - Vol. 54, No 4. - Pp. 108-116. - ISSN 0163-6804. - DOI: 10.1109/MCOM.2016.7452274.A. Orsino, A. Ometov, G. Fodor, D. Moltchanov, L. Militano, S. Andreev, O. N. C. Yilmaz, T. Tirronen, J. Torsner, G. Araniti, A. Iera, M. Dohler, Y. Koucheryavy, Effects of Heterogeneous Mobility on D2D and Drone-Assisted Mission-Critical MTC in 5G, IEEE Communications Magazine 55 (2) (2017) 79–87. doi:10.1109/MCOM.2017.1600443CM.Effects of Heterogeneous Mobility on D2Dand Drone-Assisted Mission-Critical MTC in 5G / A. Orsino, A. Ometov, G. Fodor et al. // IEEE Communications Magazine. - 2017. - Vol. 55, No 2. - Pp. 79-87. - ISSN 0163-6804. - DOI: 10.1109/MCOM.2017.1600443CM.K. Huang, V. K. N. Lau, Y. Chen, Spectrum Sharing between Cellular and Mobile Ad Hoc Networks: Transmission-Capacity Trade-Off, IEEE Journal on Selected Areas in Communications 27 (7) (2009) 1256–1267. doi:10.1109/JSAC.2009.090921.Huang K., Lau V. K. N., Chen Y. Spectrum Sharing between Cellular and Mobile Ad Hoc Networks: Transmission-Capacity Trade-Off // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. - 2009. - Vol. 27, No 7. - Pp. 1256-1267. - ISSN 0733-8716. - DOI: 10.1109/JSAC.2009.090921.F. Baccelli, N. Khude, R. Laroia, J. Li, T. Richardson, S. Shakkottai, S. Tavildar, X. Wu, On the Design of Device-to-Device Autonomous Discovery, in: 2012 Fourth International Conference on Communication Systems and Networks (COMSNETS 2012), 2012, pp. 1–9. doi:10.1109/COMSNETS.2012.6151335.On the Design of Device-to-Device Autonomous Discovery / F. Baccelli, N. Khude, R. Laroia et al. // 2012 Fourth International Conference on Communication Systems and Networks (COMSNETS 2012). - 2012. - Pp. 1-9. - DOI: 10.1109/COMSNETS.2012.6151335.H. S. Dhillon, R. K. Ganti, F. Baccelli, J. G. Andrews, Modeling and Analysis of K-Tier Downlink Heterogeneous Cellular Networks, IEEE Journal on Selected Areas in Communications 30 (3) (2012) 550–560. doi:10.1109/JSAC.2012.120405.Modeling and Analysis of K-Tier Downlink Heterogeneous Cellular Networks / H. S. Dhillon, R. K. Ganti, F. Baccelli, J. G. Andrews // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. - 2012. - Vol. 30, No 3. - Pp. 550-560. - ISSN 0733-8716. - DOI: 10.1109/JSAC.2012.120405.M. C. Erturk, S. Mukherjee, H. Ishii, H. Arslan, Distributions of Transmit Power and SINR in Device-to-Device Networks, IEEE Communications Letters 17 (2) (2013) 273–276. doi:10.1109/LCOMM.2012.122012.121632.Distributions of Transmit Power and SINR in Device-to-Device Networks / M. C. Erturk, S. Mukherjee, H. Ishii, H. Arslan // IEEE Communications Letters. - 2013. - Vol. 17, No 2. - Pp. 273-276. - ISSN 1089-7798. - DOI: 10.1109/LCOMM.2012.122012.121632.S. Andreev, O. Galinina, A. Pyattaev, K. Johnsson, Y. Koucheryavy, Analyzing Assisted Offloading of Cellular User Sessions onto D2D Links in Unlicensed Bands, IEEE Journal on Selected Areas in Communications 33 (1) (2015) 67–80. doi:10.1109/JSAC.2014.2369616.Analyzing Assisted Offloading of Cellular User Sessions onto D2D Links in Unlicensed Bands / S. Andreev, O. Galinina, A. Pyattaev et al. // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. - 2015. - Vol. 33, No 1. - Pp. 67-80. - ISSN 0733-8716. - DOI: 10.1109/JSAC.2014.2369616.S. Andreev, A. Pyattaev, K. Johnsson, O. Galinina, Y. Koucheryavy, Cellular Traffic Offloading onto Network-Assisted Device-to-Device Connections, IEEE Communications Magazine 52 (4) (2014) 20–31. doi:10.1109/MCOM.2014.6807943.Cellular Traffic Offloading onto Network-Assisted Device-to-Device Connections / S. Andreev, A. Pyattaev, K. Johnsson et al. // IEEE Communications Magazine. - 2014. - Vol. 52, No 4. - Pp. 20-31. - ISSN 0163-6804. - DOI: 10.1109/MCOM.2014.6807943.