[論文レビュー] Inband device-to-device relays in cellular networks

Bilal Sadiq, Saurabha Tavildar+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2015

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 10被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、LTEネットワークにおける待機中のユーザー設備（UE）を中継機器として活用し、シャドウダイバーシティを活用して上行リンクと下行リンクのスループットを向上させる、新しいインバンドD2D中継アーキテクチャを提案する。上行リンクのスペクトラムをアクセスリンクに再利用することで、干渉管理とスペクトル効率を向上させる。システムシミュレーションの結果、下行リンクで中央値スループット利得110%、上行リンクで40%の向上が達成された。これは、パワー制御による干渉管理と効率的な中継機器選定プロトコルによって実現された。

ABSTRACT

A new design for two-hop opportunistic relaying in cellular networks is proposed, with the objective of throughput improvement. We propose using idle UEs in a cellular system with better channel to the base station to relay traffic for active UEs. One of the key ideas proposed is the use of (only) uplink spectrum for the Access links, and corresponding interference management schemes for managing interference between Access and Backhaul links. The proposed algorithms and architecture show a median throughput gain of 110% for downlink and 40% for uplink in system simulations performed according to the 3GPP methodology.

研究の動機と目的

• セルラーネットワークにおけるスループット向上を、特に低スループットおよび中スループット領域で、待機中のUEを中継機器として活用することで実現すること。
• 共有スペクトル環境下におけるインバンドD2Dアクセスリンクとバックホールリンクの干渉問題に対処すること。
• 上行リンクスケールをアクセスリンクに再利用することで、低コストで効率的な中継機器選定と干渉管理を実現すること。
• 中継UEにおけるアクティブモ뎀時間の最小化と高効率PA動作の実現により、電力消費を低減すること。
• 3GPP準拠のシステムレベルシミュレーションを用いて、提案アーキテクチャの妥当性を検証すること。

提案手法

• 基地局（eNB）とのチャネル状態が良好な待機中のUEを、アクティブUEのための中継機器として活用し、短距離における空間的に相関の薄いシャドウフェージングを活用する。
• D2Dアクセスリンクにおける上行リンクと下行リンクの両方で上行リンクスケールを再利用することで、干渉管理の簡素化とスペクトル混雑の低減を図る。
• 中継UEにおけるパワー制御を実施し、上行リンクからバックホールへの干渉を制限する。基地局に最大許容干渉レベルを示す1つのブロードキャストパラメータを送信する。
• 上行リンクからアクセスリンクへの干渉を管理するために統計多重を活用し、このリンクに対する明示的シグナリングを回避する。
• UEからeNBへのSRSベースの測定レポートを用いて、同時に発生するアクセスリンク間の干渉を検出し、調整する。これにより、時間的および周波数的直交性が実現可能となる。
• 2サブフレームを用いた中継機器発見メカニズムを実装し、アクティブUEがDL SINRおよびパスロス制約に基づいて最適な待機UEを発見・選定できるようにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 基地局とのチャネル状態が良好な待機中のUEが、2ホップ中継を介してアクティブUEのスループットを顕著に向上させることができるか？
• RQ2 D2Dアクセスリンクに上行リンクスケールを再利用することは、セルラーネットワークにおける干渉管理において実現可能かつ有益であるか？
• RQ3 パワー制御に基づく干渉管理は、シグナリングオーバーヘッドを最小限に抑えつつ、上行リンクからバックホールへの干渉を効果的に抑制できるか？
• RQ4 中継機器選定および関連付けの影響は、システムレベルのスループットと電力消費にどのような影響を及ぼすか？
• RQ5 提案アーキテクチャは、顕著な中央値スループット利得を達成できるが、顕著な複雑性や電力オーバーヘッドを伴わないか？

主な発見

• 3GPP準拠のシステムレベルシミュレーションにおいて、提案アーキテクチャは中央値下行リンクスループット利得110%、中央値上行リンクスループット利得40%を達成した。
• シャドウダイバーシティを活用した中継は、短距離における相関の薄いシャドウフェージングを活用し、中央値SINRで10 dB以上の向上と、中央値スループットで最大200%の増加をもたらした。
• 上行リンクスケールをアクセスリンクに再利用することで、干渉管理が簡素化され、特に上行リンクからバックホールへの干渉がパワー制御により効果的に制御された。
• 任意のUEが中継機器として選ばれる確率は低く（約4%）、ユーザーのバッテリー寿命への影響は最小限に抑えられた。
• 中継UEにおける電力消費は、低ドーティーサイクルのモ뎀運用とアクセスリンクにおける高効率PAの使用により低減された。さらに、スペクトル効率の向上により追加の利得が得られた。
• SRSベースのレポートとeNBによる調整により、アクセスリンク間の干渉が効果的に管理され、最小限のシグナリングで時間的および/または周波数的直交化が実現された。