[論文レビュー] Optimal Relay Probing in Millimeter Wave Cellular Systems with Device-to-Device Relaying

Ning Wei, Xingqin Lin+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2015

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 25被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、ランダムな遮蔽とビームフォーミングのオーバーヘッドを伴うミリ波（mmWave）セルラー通信システムにおいて、装置間（D2D）リレーリングを用いてスループットを最大化するためのしきい値ベースのリレープローブ戦略を提案する。最適停止理論を用いて、リレーアクセススペクトル効率が導出されたしきい値を超えた時点でプローブを中止すべきであることを示し、ヒューリスティック手法と比較して顕著なスループット向上を達成する。

ABSTRACT

Millimeter-wave (mmWave) cellular systems are power-limited and susceptible to blockages. As a result, mmWave connectivity will be likely to be intermittent. One promising approach to increasing mmWave connectivity and range is to use relays. Device-to-device (D2D) communications open the door to the vast opportunities of D2D and device-to-network relaying for mmWave cellular systems. In this correspondence, we study how to select a good relay for a given source-destination pair in a two-hop mmWave cellular system, where the mmWave links are subject to random Bernoulli blockages. In such a system, probing more relays could potentially lead to the discovery of a better relay but at the cost of more overhead. We find that the throughput-optimal relay probing strategy is a pure threshold policy: the system can stop relay probing once the achievable spectral efficiency of the currently probed two-hop link exceeds some threshold. In general, the spectral efficiency threshold can be obtained by solving a fixed point equation. For the special case with on/off mmWave links, we derive a closed-form solution for the threshold. Numerical results demonstrate that the threshold-based relay probing strategy can yield remarkable throughput gains.

研究の動機と目的

• 人体などの障害物による高いパスロスと遮蔽による一時的なmmWave接続の不安定化に起因する課題に対処すること。
• ビームフォーミングトレーニングに起因するプローブのオーバーヘッドとスループットの増加の両立を図りながら、2ホップmmWaveシステムにおけるD2Dリレーリングにおけるリレーセレクションを最適化すること。
• ランダムなベルヌーイ遮蔽と無視できないビームフォーミングオーバーヘッドを考慮して、最大スペクトル効率を得るためにプローブするリレーカ数の最適値を特定すること。
• スループットを最大化するとともに不要なプローブを最小限に抑えるためのしきい値ベースのポリシーを導出すること。

提案手法

• 確率的制御理論を用いてリレープローブ問題を最適停止問題として定式化し、プローブコストとスペクトル効率の向上のバランスを取る。
• mmWaveリンクをリンク利用確率 $ p $ を持つランダムなベルヌーイ遮蔽としてモデル化し、各プローブあたりのビームフォーミングオーバーヘッド $ au $ を組み込む。
• 最適スペクトル効率しきい値 $ R_z $ を計算するための固定点方程式を導出する。このしきい値は、プローブを中止するタイミングを決定する。
• オン/オフmmWaveリンクの特別な場合について、最適しきい値の閉形式表現を導出する。
• デコードアンドフォワード（DF）リレーリングを適用し、チャネル品質推定の前にビームアライメントが必要であると仮定し、各プローブあたり無視できないオーバーヘッドを導入する。
• 実際のパrameters（例：28 GHz、500 MHz帯域幅、30 dBm送信出力）を用いた数値シミュレーションにより、しきい値ポリシーの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 D2Dリレーリングを有するmmWaveセルラー通信システムにおいて、ビームフォーミングオーバーヘッドと遮蔽を考慮した場合、スループットを最大化するための最適なリレープローブ数は何か？
• RQ2 ビームトレーニングに起因するプローブオーバーヘッドを考慮した場合、高品質なリレーを発見するのと、プローブのオーバーヘッドを負担するのとの間で、最適プローブ戦略はどのようにトレードオフを実現するか？
• RQ3 変動するリンク利用状況下において、マイトロピックストップや固定プローブヒューリスティックといったヒューリスティック戦略と比較して、しきい値ベースのポリシーは性能を上回ることができるか？
• RQ4 ビームフォーミングオーバーヘッドとリンク利用確率が、プローブ中止の最適スペクトル効率しきい値にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 最適なリレープローブ戦略は、純粋なしきい値ポリシーである。すなわち、プローブされた2ホップリンクの実現可能スペクトル効率が導出されたしきい値を超えた時点で、プローブを中止する。
• オン/オフmmWaveリンクの場合、最適しきい値には閉形式の解が存在し、実装が容易である。
• 数値結果から、あらゆるリンク利用レベルにおいて、しきい値ベースの戦略がマイトロピックストップや固定プローブヒューリスティックよりも顕著に高いスループットを達成することが示された。
• スループットの向上は、特に低リンク利用状況（$ p = 0.1 $）で顕著であり、この状況ではマイトロピックストップがほぼ最適に近い性能を示すが、しきい値ポリシーは高利用状況下でもすべてのヒューリスティックを上回る性能を発揮する。
• プローブオーバーヘッド $ au $ が高くなると最適しきい値が低下するため、ビームトレーニングが高コストである場合には、プローブするリレー数を減らすべきであることが示された。
• リンク利用確率 $ p $ が高くなると最適しきい値が上昇するため、リンクがより信頼性が高い状況では、より多くのリレーを探索することがもたらす利益が顕著である。