[論文レビュー] Joint Mode Selection and Resource Allocation for D2D Communications via Vertex Coloring

Yi Li, M. Cenk Gursoy+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2017

Advanced MIMO Systems Optimization被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、干渉制限付きD2Dリンクをグループ化するために頂点彩色を用いる、セルラーネットワークにおけるデバイス・ツー・デバイス（D2D）通信のための新規な連携モード選択およびリソース割り当てアルゴリズムを提案する。問題をユーザの分割、電力割り当て、周波数割り当てに分解することで、従来のゲーム理論的手法と比較して、計算負荷を低減しつつ、より高い合計スループットを達成し、より多くのユーザーを処理可能となる。特に、調整可能なしきい値ステップを用いた柔軟な干渉制約下で顕著な性能向上を示す。

ABSTRACT

Device-to-device (D2D) communication underlaid with cellular networks is a new paradigm, proposed to enhance the performance of cellular networks. By allowing a pair of D2D users to communicate directly and share the same spectral resources with the cellular users, D2D communication can achieve higher spectral efficiency, improve the energy efficiency, and lower the traffic delay. In this paper, we propose a novel joint mode selection and channel resource allocation algorithm via the vertex coloring approach. We decompose the problem into three subproblems and design algorithms for each of them. In the first step, we divide the users into groups using a vertex coloring algorithm. In the second step, we solve the power optimization problem using the interior-point method for each group and conduct mode selection between the cellular mode and D2D mode for D2D users, and we assign channel resources to these groups in the final step. Numerical results show that our algorithm achieves higher sum rate and serves more users with relatively small time consumption compared with other algorithms. Also, the influence of system parameters and the tradeoff between sum rate and the number of served users are studied through simulation results.

研究の動機と目的

• D2D下位セルラーネットワークにおける連携的なモード選択とリソース割り当ての課題に取り組む。D2Dユーザーはセルラーユーザーと周波数を共有し、干渉を引き起こす可能性がある。
• チャネル再利用と干渉制約から生じる高次元かつ非凸な最適化問題における計算複雑性を低減する。
• 干渉制約を満たしつつ、D2Dリンクの効率的なグループ化を可能にし、合計スループットの最大化とユーザー間の公平性の両立を実現する。
• パrameterチューニングを通じて、スペクトル効率（合計スループット）とネットワーク容量（処理可能なユーザー数）のトレードオフを明らかにする。
• 構造的な3段階アルゴリズムフレームワークを用いて、従来のゲーム理論的手法を性能と時間効率の両面で上回る。

提案手法

• 1つの基地局、複数のセルラーユーザー、複数のD2Dペアを有するセルラーネットワークをモデル化する。D2Dリンクは直接通信または基地局経由で通信可能である。
• 最初の段階では、定義された干渉しきい値とステップサイズΔγに基づき、干渉するリンクが同じグループに含まれないよう、頂点彩色アルゴリズムを用いてD2Dリンクをグループに分割する。
• 2番目の段階では、内点法を用いて各グループごとの電力割り当て問題を解き、グループサイズに比例する重みを導入して公平性を組み込み、最小レートと合計スループットのトレードオフを最適化する。
• 各グループ内でのD2Dモードとセルラーモードの選択は、レート向上の有無に基づき実施され、3番目の段階では各グループに直交周波数を割り当てることでグループ間干渉を回避する。
• 干渉しきい値はΔγを用いて動的に調整され、性能と計算負荷のバランスを取る。Δγを大きくするとグループサイズが小さくなり、計算負荷も低減する。
• アルゴリズムは、レイリー fading とパスロスモデルを用いた200回のランダムネットワーク実装によるモンテカルロシミュレーションで評価される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにしてD2Dユーザーを効率的にグループ化することで、干渉制約を満たしつつ周波数再利用を可能にすることができるか？
• RQ2 干渉しきい値ステップサイズΔγが合計スループット、処理可能なユーザー数、計算時間に与える影響は何か？
• RQ3 頂点彩色ベースの手法は、ゲーム理論的手法を上回る性能を達成できるか？
• RQ4 異なるパrameter設定下で、合計スループットと処理可能なユーザー数のトレードオフはどのように現れるか？
• RQ5 グループサイズと公平性重みが、各グループ内での電力割り当て性能に与える影響は何か？

主な発見

• 提案された頂点彩色アルゴリズムは、特にΔγを中程度の値に設定した場合、コoperative game法と比較してより高い合計スループットを達成し、より多くのユーザーを処理可能となる。
• Δγ = 2500の場合、グループサイズが小さくなり、電力最適化問題の次元数も低減されるため、実行時間の大幅な短縮が達成され、コoperative game法を上回る高速性を示した。
• Δγが大きくなるにつれて、干渉制約がゆるくなるため合計スループットは向上するが、グループ化ルールが厳しくなるため処理可能なユーザー数は減少する。
• 周波数再利用を有効化した場合、D2Dペア数（Nd）が増加するに従い、合計スループットと処理可能なユーザー数の両方が、非再利用ベンチマークと比較してより急激に増加する。
• Δγの調整と周波数割り当て優先順位（例：グループレート対グループサイズ）の変更により、合計スループットとユーザー容量の間でチューナブルなトレードオフを実現可能である。
• 過度に厳密または緩い制約が生じないよう、干渉しきい値ステップサイズを適応的に調整することで、高干渉環境下でも高い性能を維持でき、性能の劣化を回避できる。