[論文レビュー] Joint Spectrum Reuse and Power Control for Multi-Sharing Device-to-Device Communication

Kuo-Yi Chen, Jung-Chun Kao+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2017

Wireless Communication Networks Research被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、複数の共有型デバイス・ツー・デバイス（D2D）通信における共同スペクトラム再利用およびパワー制御のためのMISSアルゴリズムを提案する。最大独立集合（MIS）を用いて効率的なリソース再利用を実現し、スタックルバーグゲームベースのパワー制御により干渉を最小化する。MISSは、比較対象のORA、GTM+、GRAと比較して、すべての主要指標で最高のシステムスルーレットと最低の送信パワー消費を達成し、計算オーバーヘッドも低く抑えられている。

ABSTRACT

Compared to current mobile networks, next-generation mobile networks are expected to support higher numbers of simultaneously connected devices and to achieve higher system spectrum efficiency and lower power consumption. To achieve these goals, we study the multi-sharing device-to-device (D2D) communication, which allows any cellular user equipment to share its radio resource with multiple D2D devices. We jointly consider resource block reuse and power control and then develop the MISS algorithm. Simulation results show that MISS performs very well in terms of transmission power consumption, system throughput, and the number of permitted D2D devices.

研究の動機と目的

• 高密度のデバイス接続を特徴とする次世代モバイルネットワークにおいて、システムスペクトラム効率を最大化し、パワー消費を最小化する課題に対処すること。
• 既存のアルゴリズムがパワー制御を無視するか、組み込みのDUEパッケージに依存するため、組み合わせ的複雑性を引き起こすという限界を克服すること。
• マルチ共有D2D通信におけるリソースブロック再利用とパワー制御の共同最適化フレームワークを構築し、システムスルーレットとエネルギー効率を向上させること。
• 5Gネットワークにおける多数のDUEをサポートするリアルタイム展開に適した、高速かつスケーラブルなアルゴリズムを設計すること。
• 動的な干渉状態下でも、CUEおよびDUEの最小SINR要件（CUE：7 dB、DUE：3 dB）を満たすことで、サービス品質を確保すること。

提案手法

• 非干渉性を満たすDUEペアを特定することで、リソースブロック（RB）の再利用を促進する最大独立集合（MIS）技術を採用する。
• CUEがリーダー、DUEペアがフォロワーとして機能するスタックルバーグゲームモデルを定式化し、送信パワーと干渉管理を共同最適化する。
• DUEの利得関数を定義し、スルーレット最大化（第1項）と干渉最小化（第2項）のバランスを取ることで、SINR制約下でのパワー制御を可能にする。
• MISに基づくRB割り当てとスタックルバーグゲームに基づくパワー制御を統合し、同時にシステムスルーレットの最大化と全DUE送信パワーの最小化を実現する。
• MISSアルゴリズムを2段階プロセスとして実装する：第1段階でMISを計算して実現可能なDUEペアの再利用を特定し、第2段階でスタックルバーグゲームを適用して最適な送信パワーを設定する。
• ゲーム理論的最適化中に繰り返しパワー調整を実施することで、すべてのCUEおよびDUEが最小SINRしきい値（CUE：7 dB、DUE：3 dB）を満たすように保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチ共有D2D通信において、スレクトル再利用とパワー制御を効果的に統合・調整することで、システムスルーレットを最大化し、干渉を最小化する方法は何か？
• RQ2 最大独立集合とスタックルバーグゲームを統合することで、D2Dリソース割り当てのスケーラビリティとパフォーマンスにどのような影響を与えるか？
• RQ3 ORA、GTM+、GRAといった既存のアルゴリズムと比較して、提案されたMISSアルゴリズムは、スルーレット、パワー消費、許容可能なDUEペア数という観点で、どの程度優れているか？
• RQ4 パワー制御は、マルチ共有D2D環境下で、干渉低減とエネルギー効率向上にどの程度寄与するか？
• RQ5 MISSアルゴリズムは、リアルタイム5G展開に適した低計算複雑性を維持しながら、高いパフォーマンスを達成できるか？

主な発見

• MISSは、すべてのシミュレーション環境において、評価対象のすべてのアルゴリズムの中で最高のシステムスルーレットを達成し、ORA、GTM+、GRAを著しく上回っている。
• MISSは、ORAと比較して全DUE送信パワーを最大1〜2桁低減させ、優れたエネルギー効率を示している。
• MISSを用いた許容可能なDUEペアの割合は約90%に達し、GRAに次いで2番目に高い水準である。GRAはDUE数を多く許容するが、パワー消費とスルーレットの点で劣る。
• MISSは、明示的なパワー制御機構のおかげで、GTM+およびGRAよりもスルーレットとパワー消費の両面で優れており、干渉をより効果的に低減している。
• MISSの実行時間はGTM+およびGRAと同等であり、ORAに比べて1〜2桁速いため、大規模なD2D展開において優れたスケーラビリティを示している。
• MISに基づく再利用とスタックルバーグゲームに基づくパワー制御の組み合わせにより、MISSはスルーレットの最大化と干渉の最小化を同時に実現し、パフォーマンスとエネルギー効率の最良なトレードオフを達成している。