[論文レビュー] Device-to-Device Communication Underlaying a Finite Cellular Network Region

Jing Guo, Salman Durrani+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2015

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 39被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、有限なセルラー網領域における隣接セル干渉を管理するため、下位帯域D2D通信におけるD2Dモード選択方式を提案する。ステッキアスティックジオメトリを用いて、D2Dユーザーの位置をポアソン点過程（PPP）としてモデル化し、基地局およびD2D受信機におけるアウトージ確率を導出。その結果、セルラー路損失指数をわずかに低減するだけで、高いスペクトラム再利用率を維持しつつ、D2D密度の増加に伴い成功するD2D伝送数を増加させられることを示した。

ABSTRACT

Underlay in-band device-to-device (D2D) communication can improve the spectrum efficiency of cellular networks. However, the coexistence of D2D and cellular users causes inter-cell and intra-cell interference. The former can be effectively managed through inter-cell interference coordination and, therefore, is not considered in this work. Instead, we focus on the intra-cell interference and propose a D2D mode selection scheme to manage it inside a finite cellular network region. The potential D2D users are controlled by the base station (BS) to operate in D2D mode based on the average interference generated to the BS. Using stochastic geometry, we study the outage probability experienced at the BS and a D2D receiver, and spectrum reuse ratio, which quantifies the average fraction of successfully transmitting D2D users. The analysis shows that the outage probability at the D2D receiver varies for different locations. Additionally, without impairing the performance at the BS, if the path-loss exponent on the cellular link is slightly lower than that on the D2D link, the spectrum reuse ratio can have negligible decrease while the D2D users' average number of successful transmissions increases with increasing D2D node density. This indicates that an increasing level of D2D communication can be beneficial in future networks..

研究の動機と目的

• 有限なセルラー網領域内における下位帯域D2D通信における隣接セル干渉を解決すること。
• 空間的制約に起因するD2Dユーザーの位置依存性能をモデル化すること。
• 基地局への平均干渉に基づくD2Dモード選択方式を開発すること。
• ステッキアスティックジオメトリを用いて、基地局および典型的D2D受信機におけるアウトージ確率を分析すること。
• 成功するD2D伝送の指標としてのスケールスペクトラム再利用率を定量化すること。

提案手法

• セルラー網領域を有限な円板としてモデル化し、D2Dユーザーを潜在的D2Dユーザー（p-DUEs）のポアソン点過程（PPP）として扱う。
• ステッキアスティックジオメトリを用いて、基地局および典型的D2D受信機におけるアウトージ確率を導出。路損および fading を考慮する。
• p-DUEが基地局への干渉が閾値 ξ 未満である場合に限りD2Dモードで動作するというモード選択基準を導入する。
• 2つの円領域の重複を解析することで、p-DUEがD2Dモードにいる確率を導出。1つはD2D受信機を中心とする円、もう1つは干渉制約によって定義される円である。
• ガンマ分布近似および二項定理展開を用いて、異なる路損指数のもとでのD2Dモード確率の解析的表現を導出。
• セルラーリンクおよびD2Dリンクにおける路損指数の違いが、スケールスペクトラム再利用率およびアウトージ性能に与える影響を検討。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限なセルラー領域内におけるD2Dユーザーの位置が、そのアウトージ確率および基地局への干渉に与える影響は何か？
• RQ2 基地局への干渉を最小限に抑えつつD2Dスケールスペクトラム再利用を最大化する最適なD2Dモード選択戦略は何か？
• RQ3 セルラーリンクにおける路損指数とD2Dリンクにおける路損指数の違いが、スケールスペクトラム再利用率およびD2D成功確率に与える影響は何か？
• RQ4 有限領域において、基地局の性能を維持しつつ、成功するD2D伝送数を増加させる際のトレードオフは何か？
• RQ5 D2Dユーザーの空間的分布が、アウトージおよびスペクトル効率という観点での全体的なネットワーク性能に与える影響は何か？

主な発見

• D2D受信機におけるアウトージ確率は位置に依存し、基地局から遠いユーザーで高い値を示す。
• セルラーリンクの路損指数がD2Dリンクのそれとわずかに低い場合、D2Dノード密度の増加にもかかわらず、スケールスペクトラム再利用率はほとんど低下しない。
• D2Dノード密度の増加に伴い、成功するD2D伝送の平均数は顕著に増加するが、基地局の性能は劣化しない。
• 提案されたモード選択方式は、基地局への干渉閾値に基づくD2D送信制限により、隣接セル干渉を効果的に制御できる。
• ステッキアスティックジオメトリを用いた解析的モデルは、有限領域におけるD2D利得とセルラー路の信頼性のトレードオフを正確に捉えている。
• 導出されたD2Dモード確率の式は、一般の路損指数に対して有効であり、空間的分布および fading 効果を両方組み込んでいる。