[論文レビュー] Decentralized Opportunistic Access for D2D Underlaid Cellular Networks

Zheng Chen, Marios Kountouris|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 34被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、信号対干渉比（SIR）に基づくリンク活性化と細胞通信排除領域（ガードゾーン）を組み合わせた分散型でSIRに配慮したアクセス制御方式を、D2Dアンダーレイ蜂窩ネットワークに提案する。ステochastic geometryを用いて、覆蓋確率の解析的表現を導出し、D2Dの面積スペクトル効率（ASE）を最大化しつつ細胞通信上行リンクの覆蓋を維持するようにSIRしきい値とガードゾーン半径を最適化する。提案手法は、最先端の手法と比較して顕著なスループット向上を達成する。

ABSTRACT

We propose a decentralized access control scheme for interference management in D2D (device-to-device) underlaid cellular networks. Our method combines SIR-aware link activation with cellular exclusion regions in a case where D2D links opportunistically access the licensed cellular spectrum. Analytical expressions and tight approximations for the coverage probabilities of cellular and D2D links are derived. We characterize the impact of the guard zone radius and the SIR threshold on the D2D area spectral efficiency and cellular coverage. A tractable approach was proposed in order to find the SIR threshold and guard zone radius, which maximize the area spectral efficiency of the D2D communication while ensuring sufficient coverage probability for cellular uplink users. Simulations validate the accuracy of our analytical results and show the performance gain of our proposed scheme compared to existing state-of-the-art solutions.

研究の動機と目的

• D2Dリンクが細胞通信ユーザーと同一のライセンススペクトルを共有する、高密度なD2Dアンダーレイ蜂窩ネットワークにおける干渉管理の課題に対処すること。
• 中央集権的調整やチャネル状態情報の交換に依存しない、完全に分散型のアクセス制御メカニズムを開発すること。
• 最小限の細胞通信覆蓋確率制約のもとで、D2Dの面積スペクトル効率（ASE）を最大化するように、SIRしきい値とガードゾーン半径を同時に最適化すること。
• ステochastic geometryのツールを用いて、D2Dおよび細胞通信リンクの覆蓋確率の扱いやすい解析的表現を提供すること。
• 広範なシミュレーションを通じて、提案手法の性能向上をベースラインおよび最先端のアクセス制御手法と比較して検証すること。

提案手法

• 細胞通信基地局（BS）とD2D送信機の位置を、独立したホモジーネイス・ポアソン点過程（PPP）としてモデル化する。
• 各細胞通信上行リンク受信機の周囲にガードゾーン（排除領域）を導入し、D2D送信による同周波数干渉を低減する。
• SIRに配慮したリンク活性化を実装：D2Dリンクは、自らのSIRが対応するBSに対してしきい値 $ p_s $ を上回る場合にのみ、スケジューリングに参加する。このしきい値はアクセス確率を制御する。
• ボロノイセル形状のポアソン・ボロノイタイルレーション近似を用いて、通常の細胞通信受信機における集約干渉のラプラス変換を導出する。
• ステochastic geometryを用いて、D2Dおよび細胞通信リンクの両方の覆蓋確率のタイトな解析的近似を導出する。
• D2D ASEを最大化しつつ細胞通信覆蓋制約を満たすように、最適なSIRしきい値 $ G^* $ とガードゾーン半径 $ ho^* $ を同時に見つけるための分離型最適化問題を定式化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散型D2Dアンダーレイネットワークにおいて、SIRに配慮した活性化とガードゾーンの併用が、D2Dおよび細胞通信リンクの覆蓋確率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 最小限の細胞通信上行リンク覆蓋確率を維持しつつ、D2Dの面積スペクトル効率（ASE）を最大化する最適なSIRしきい値とガードゾーン半径は何か？
• RQ3 提案された分散型方式は、アクセス制御なしのベースライン方式や、ガードゾーンのみ、またはSIRベースのアクセスのみを用いる方式と比較して、性能面でどの程度優れているか？
• RQ4 ステochastic geometryに基づく解析的フレームワークは、実際のネットワーク展開において、システム性能をどの程度正確に予測できるか？
• RQ5 D2D密度、細胞通信密度、パスロス指数といった主要なシステムパラメータが、最適なアクセス戦略に与える影響は何か？

主な発見

• 提案手法は、ベースラインおよび最先端の手法と比較して顕著なスループット向上を達成しており、シミュレーションによりD2Dの面積スペクトル効率（ASE）が顕著に向上することが示された。
• 最適なSIRしきい値 $ p_s^* $ はラメルト・W関数を用いて導出され、$ p_s^* riangleq rac{ ext{W}ig(eta^{2/eta} ho ig)}{ ho} $ と表される。ここで $ ho $ はネットワーク密度とパスロスに依存する。
• 最適なガードゾーン半径 $ ho^* $ は、D2Dスループットの向上と空間再利用の損失のバランスを取ることで決定され、シミュレーションにより、より大きなガードゾーンは細胞通信の覆蓋を向上させるが、D2Dのアクセス機会を減少させることを示した。
• D2Dおよび細胞通信リンクの解析的覆蓋確率近似は、誤差が $ 10^{-5} $ 未満であるほど非常に正確であることが示され、ステochastic geometryモデルの妥当性が裏付けられた。
• 分離型最適化アプローチにより、$ p_s^* $ と $ ho^* $ の共同最適化に対する扱いやすい解法が得られ、リアルタイムの分散型展開に適していることが分かった。
• D2D ASEを最大化することを主な目的としていても、最適パラメータ $ p_s^* $ と $ ho^* $ は、D2Dネットワークの平均合計レートの向上にも寄与することが分かった。