[論文レビュー] D2D User Selection For Simultaneous Spectrum Sharing And Energy Harvesting

Mansi Peer, Vivek Ashok Bohara+1 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、D2Dユーザー選択のためのハイブリッド時間スイッチングおよびパワー分離プロトコルを提案し、無線周波数信号からのエネルギー効率的回収と同時にスペクトラム共有を実現するセルラーネットワークにおける性能向上を目的としている。最高の受信エネルギーと最高の実現可能レートを有するD2Dユーザーを選択することで、システムはセルラーユーザーのアウトージー性能を向上させるとともに、信頼性の高いデコードアンドフォワードリレーリングを保証する。閉形式のアウトージー確率式はシミュレーションにより検証された。

ABSTRACT

This paper presents a device-to-device (D2D) user selection protocol wherein multiple D2D pairs coexist with a cellular network. In the developed framework, certain D2D users harvest energy and share the spectrum of the cellular users by adopting a hybrid time switching and power splitting protocol. The D2D user which harvests the maximum energy and achieves the desired target rate for the cellular communication is selected to serve as a decode-and-forward (DF) relay for the cellular user. The proposed work analyzes the impact of increase in the number of D2D users on the performance of cellular user as well as derives an upper bound on the time duration of energy harvesting within which best possible rate for cellular user can be obtained. The performance of the proposed protocol has been quantified by obtaining the closed form expressions of outage probability.

研究の動機と目的

• セルラーユーザーのチャネル状態が不良な状況下でのセルラーネットワーク性能の向上に寄与すること。
• D2DデバイスにおけるRF信号からのエネルギー効率的回収を可能にし、持続可能なグリーン通信を実現すること。
• リレーリングのためのエネルギー効率的回収と実現可能レートの両方を最大化するD2Dユーザー選択プロトコルの開発。
• ハイブリッドエネルギー効率的回収およびスペクトラム共有環境下で、D2Dユーザー数の増加がセルラーおよびD2Dのアウトージー性能に与える影響の分析。
• 提案プロトコル下でのセルラーおよびD2Dリンクのアウトージー確率に関する閉形式式の導出。

提案手法

• D2D送信機では、ハイブリッド時間スイッチングおよびパワー分離プロトコルを用いて、同時にエネルギー効率的回収と情報伝送を実現する。
• セルラーユーザーのための最大の受信エネルギーと最高の実現可能レートを有するD2Dユーザーが、デコードアンドフォワード（DF）リレーリングとして選択される。
• インバンドD2DパラダイムにおけるセルラーおよびD2D伝送間の干渉を低減するために、直交時間アクセスが用いられる。
• 統計的チャネルモデルを用いて、Nakagami-m fadingおよび指数分布を組み込んだアウトージー確率の閉形式式が導出される。
• システムモデルには、基地局（BS）、セルラーユーザー（CU）、およびN個のD2Dペアが含まれており、選択されたD2Dユーザーが2ホップDFプロトコルによりセルラー信号をリレーリングする。
• エネルギー効率的回収時間割合（α）、パワー分離係数（ρ）、および目標データレートといった主要パラメータが解析的にモデル化され、アウトージー性能の境界が導出される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 D2Dユーザー数の増加が、エネルギー効率的回収と併用されたスペクトラム共有環境下でのセルラーユーザーのアウトージー性能にどのように影響するか？
• RQ2 ハイブリッドプロトコル下で、セルラーユーザーの実現可能レートを最大化するための最適なエネルギー効率的回収時間（α）はどの程度か？
• RQ3 パワー分離係数（ρ）が、セルラーおよびD2Dリンクのアウトージー性能にどのように影響するか？
• RQ4 D2Dユーザー数の増加がもはやセルラーアウトージー性能を向上させないようになる、エネルギー効率的回収時間（α）の上限は何か？
• RQ5 提案されたハイブリッドプロトコルおよびユーザー選択方式下で、セルラーおよびD2Dリンクのアウトージー確率について閉形式式を導出できるか？

主な発見

• D2Dユーザー数（N）が増加するにつれて、セルラーネットワークのアウトージー確率は低下する。これは、十分なエネルギーを受信し、良好なチャネル状態にあるD2Dユーザーを選択する確率が高まるためである。
• ρ = 0.75の場合、エネルギー効率的回収時間割合（α）の上限はα = 0.5である。この値を超えると、BSとCU間の直接リンクが失われるため、アウトージー確率は1に上昇する。
• D2Dネットワークのアウトージー性能も、Nの増加に伴い向上する。選択ダイバーシティのおかげで、高容量かつ十分な電力を持つD2Dリレーユーザーを選ぶ可能性が高まるためである。
• 導出されたアウトージー確率の閉形式式（式22）はシミュレーションにより検証され、理論的結果とシミュレーション結果の間で強い一致が確認された。
• 固定時間または固定パワー分離方式に比べ、ハイブリッドプロトコルは時間とパワーの不均等な分配を可能にし、セルラーおよびD2Dユーザーの両方のQoSを最適化する。
• 単一の直交チャネルを用いるだけで、従来の多重直交チャネルを用いた協調ダイバーシティと同等のアウトージー性能を達成できる。