[論文レビュー] Performance Analysis and Optimization of Cooperative Full-Duplex D2D Communication Underlaying Cellular Networks

Guoling Liu, Wenjiang Feng+2 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2018

Full-Duplex Wireless Communications被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、セルラーネットワーク上に重畳された協調的フルデュプレックスデバイスツーデバイス（D2D）通信システムを提案する。このシステムでは、スーパーポジション・コーディングと逐次干渉キャンセレーション（SIC）を用いて、セルラーユーザがフルデュプレックスリレ−としてD2Dリンクを支援する。主な貢献は、最小達成速率を最大化する最適なパワー割当スキームであり、理論的解析とシミュレーションにより、ハーフデュプレックスおよび非協調的スキームと比較してスペクトル効率とアウトージェの性能が向上することが確認された。

ABSTRACT

This paper investigates the cooperative full-duplex device-to-device (D2D) communication underlaying cellular network, where the cellular user (CU) acts as a full-duplex relay to assist the D2D communication. To simultaneously support D2D relaying and uplink transmission, superposition coding and successive interference cancellation are adopted at the CU and the D2D receiver, respectively. The achievable rate region and joint outage probability are derived to characterize the performance of the considered system. An optimal power allocation scheme is proposed to maximize the minimum achievable rate. Besides, by analyzing the upper bound of the joint outage probability, we study a suboptimal power allocation to improve the outage performance. The simulation results confirm the theoretical analysis and the advantages of the proposed power allocation schemes.

研究の動機と目的

• 従来のハーフデュプレックスリレーリングにおけるスペクトル効率の制限とリンク品質の悪さを解決する。
• 伝搬条件が悪い状況における直接D2Dリンクの性能ボトルネックを、フルデュプレックスセルラーユーザをリレ−として導入することで克服する。
• サービス品質制約のもとで、セルラーユーザとD2Dユーザー間の最小達成速率を最大化するパワー割当戦略を設計する。
• fadingチャネルにおけるシステムの信頼性を向上させるために、共同アウトージェ確率を解析および最適化する。
• 理論的およびシミュレーション結果を通じて、ハーフデュプレックスおよび非協調的D2Dシステムと比較して、フルデュプレックス協調方式の性能向上を評価する。

提案手法

• 同じ周波数帯域上でセルラーデータとD2Dデータストリームを多重化するために、セルラーユーザ（CU）でスーパーポジション・コーディングを採用する。
• D2D受信機およびCUで逐次干渉キャンセーション（SIC）を用いて、目的の信号を復調するとともに干渉を抑制する。
• 統計的チャネル状態情報を利用したRayleigh fadingチャネル下で、達成可能なレート領域および共同アウトージェ確率を導出する。
• 個々のパワー制約のもとで、D2Dリンクとセルラーリンク間の最小レートを最大化する最適パワー割当アルゴリズムを提案する。
• 複雑さを低減しつつ信頼性を向上させるために、共同アウトージェ確率の上界に基づく部分最適パワー割当スキームを構築する。
• 確率的幾何学と順序統計を用いて、複数のフェージングリンクを含むアウトージェ確率をモデル化および計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スーパーポジション・コーディングおよびSICを用いたフルデュプレックスリレーリングは、D2D-underlaidセルラーネットワークにおけるスペクトル効率をどのように向上させるか？
• RQ2 周波数が重複する干渉が存在するフルデュプレックスD2Dリレーシステムにおける達成可能なレート領域および共同アウトージェ確率は何か？
• RQ3 サービス品質制約のもとで、D2Dユーザーとセルラーユーザ間の最小レートを最大化するためのパワー割当をどのように最適化できるか？
• RQ4 提案されたフルデュプレックス協調方式は、ハーフデュプレックスまたは非協調的D2Dシステムと比較して、どの程度の性能向上を達成するか？
• RQ5 アウトージェ確率の上界に基づく部分最適パワー割当は、計算コストを低減しつつ、どのようにシステム信頼性を向上させるか？

主な発見

• 提案された最適パワー割当スキームは、パワー制約のもとでD2Dユーザーとセルラーユーザ間の公平性を確保しながら、最小達成レートを最大化する。
• 理論的解析により、SICを用いたフルデュプレックスリレーリングでは、ハーフデュプレックスまたは非リレーシステムと比較して、共同アウトージェ確率が顕著に低減することが示された。
• シミュレーション結果により、フルデュプレックス協調D2Dシステムは、ハーフデュプレックスの対応するシステムと比較して、より高いスペクトル効率と低いアウトージェ確率を達成することが確認された。
• アウトージェ確率の上界に基づく部分最適パワー割当は、複雑さを低減しつつ、ほぼ最適な性能を達成する。
• システム性能は残留自己干渉に対して頑健であり、モンテカルロシミュレーションにより導出されたアウトージェ式が妥当性を確認された。
• 理論的解析による背理法を用いた証明により、最適パワー割当は、D2Dレートを最大化するとともに、セルラーユーザの最小レート要件を満たすことが保証された。