[論文レビュー] Low-Rate Machine-Type Communication via Wireless Device-to-Device (D2D) Links

Nuno K. Pratas, Petar Popovski|arXiv (Cornell University)|May 29, 2013

IoT Networks and Protocols参考文献 54被引用数 32

ひとこと要約

本稿では、下位の干渉キャンセレーションおよび認知無線の原則を活用した、重ね合わせD2Dリンクを用いたネットワーク支援型デバイス・ツー・デバイス（D2D）リレーシンクを提案し、セルラー・ネットワーク上での低レート・低電力機械タイプ通信（MTC）を支援する。これらのスキームは、MTCのアウトージ確率を低減するとともに、基地局との協調による同時電力およびレート適応により、アクティブ・リンク時間およびスペクトル効率を著しく向上させ、広帯域ユーザーのレートを最大化する。

ABSTRACT

Wireless cellular networks feature two emerging technological trends. The first is the direct Device-to-Device (D2D) communications, which enables direct links between the wireless devices that reutilize the cellular spectrum and radio interface. The second is that of Machine-Type Communications (MTC), where the objective is to attach a large number of low-rate low-power devices, termed Machine-Type Devices (MTDs) to the cellular network. MTDs pose new challenges to the cellular network, one if which is that the low transmission power can lead to outage problems for the cell-edge devices. Another issue imminent to MTC is the \emph{massive access} that can lead to overload of the radio interface. In this paper we explore the opportunity opened by D2D links for supporting MTDs, since it can be desirable to carry the MTC traffic not through direct links to a Base Station, but through a nearby relay. MTC is modeled as a fixed-rate traffic with an outage requirement. We propose two network-assisted D2D schemes that enable the cooperation between MTDs and standard cellular devices, thereby meeting the MTC outage requirements while maximizing the rate of the broadband services for the other devices. The proposed schemes apply the principles Opportunistic Interference Cancellation and the Cognitive Radio's underlaying. We show through analysis and numerical results the gains of the proposed schemes.

研究の動機と目的

• セルラー・ネットワークにおけるセル端部の低レート・低電力機械タイプデバイス（MTD）の高いアウトージ確率の課題に対処する。
• MTDの大量アクセスに起因するバックハネルおよびシグナリングのオーバーヘッドを低減するため、直接の基地局リンクの代わりにD2Dリレーリンクを用いる。
• 下位D2D伝送と干渉管理を活用することで、MTDトラフィックと高レートのセルラー利用者の共存を実現する。
• MTDが目標とするアウトージ確率および固定レート要件を満たす一方で、システムのスペクトル効率を最大化する。

提案手法

• MTCを厳密なアウトージ制約を伴う固定レートトラフィックとしてモデル化し、基地局のダウンリンクに重ね合わせる形でMTDからリレーデバイスへのD2Dリンクを用いる。
• リレ一で基地局信号よりも強い信号をキャンセルした後、MTD信号を復元するために、機会的干渉キャンセレーション（OIC）を適用する。
• 基地局による電力適応を伴い、同時にMTDとセルラー利用者が同じ周波数帯で伝送できるように、認知無線の下位原則を適用する。
• 上行リンク用（R.2）および下行リンク用（U.2）の2つのスキームを導入し、両者ともチャネル状態情報（CSI）を用いてレートおよび電力適応を実施する。
• リレ一受信機で多重アクセスチャネルモデルに従い、逐次干渉キャンセレーション（SIC）の原則を適用して両信号を復元する。
• 干渉下でアウトージおよびレート制約を満たすために必要な最小MTD送信電力を導出する解析的表現を提示する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 D2Dリレーシンクは、セルラー利用者のレートを低下させることなく、低レート・低電力MTDのアウトージ確率を低減できるか？
• RQ2 機会的干渉キャンセレーションは、共有周波数帯環境下でのMTDリンクの信頼性をどのように向上させるか？
• RQ3 CSIフィードバックを用いたネットワーク支援型D2Dリレーシンクと直接MTD-BSリンクを比較した場合、性能向上はどの程度か？
• RQ4 基地局での電力およびレート適応は、MTDの信頼性およびシステムのスペクトル効率をどの程度向上できるか？

主な発見

• 提案されたD2Dリレーシンクスキームは、有利なチャネル状態と干渉キャンセレーションを活用することで、MTDのアウトージ確率を顕著に低減する。
• 数値結果から、MaxCIおよびPFスケジューリングを用いたR.2およびU.2スキームでは、平均リンクアクティブ時間および$E[\Gamma_U]$（スループット）に顕著な向上が見られた。
• 下位D2Dアプローチにより、MTDとセルラートラフィックが同じ周波数帯で共存可能となり、インfraストラクチャ負荷が低減され、多様なデバイス向けに単一の空中インターフェースが可能になる。
• 導出された最小送信電力$P_X^{\text{Min}}$により、干渉下でもMTDが目標とするアウトージ確率およびレート要件を満たすことが保証される。
• CSIを基にした基地局による電力およびレートの共同適応により、MTD伝送の信頼性が確保されるとともに、システムのスペクトル効率が最大化される。