[論文レビュー] Power Control for D2D Underlaid Cellular Networks: Modeling, Algorithms and Analysis

Namyoon Lee, Xingqin Lin+2 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2013

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 23被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、デバイス間（D2D）アンダーレイセルラーネットワークのための確率的幾何学的モデルを提案し、クロスティア干渉を管理するための集中型および分散型のパワー制御アルゴリズムを開発する。セルラーリンクおよびD2Dリンクリンクのカバレッジ確率と和レートの解析的表現を導出し、D2D密度が低い場合にD2Dリンクからセルラーリンクへのクロスティア干渉が主な性能制約要因であることを示す。また、最適なオンオフパワー制御により、最小限のCSIフィードバックでD2D和レートを最大化できることを示している。

ABSTRACT

This paper considers a device-to-device (D2D) underlaid cellular network where an uplink cellular user communicates with the base station while multiple direct D2D links share the uplink spectrum. This paper proposes a random network model based on stochastic geometry and develops centralized and distributed power control algorithms. The goal of the proposed power control algorithms is two-fold: ensure the cellular users have sufficient coverage probability by limiting the interference created by underlaid D2D users, while also attempting to support as many D2D links as possible. For the distributed power control method, expressions for the coverage probabilities of cellular and D2D links are derived and a lower bound on the sum rate of the D2D links is provided. The analysis reveals the impact of key system parameters on the network performance. For example, the bottleneck of D2D underlaid cellular networks is the cross-tier interference between D2D links and the cellular user, not the D2D intra-tier interference. Numerical results show the gains of the proposed power control algorithms and accuracy of the analysis.

研究の動機と目的

• D2Dユーザーの位置を空間のポアソン点過程（PPP）としてモデル化することで、確率的幾何学に基づく干渉解析を可能にする。
• D2Dとセルラーリンクの共存を実現するため、D2D送信からセルラーユーザーへのクロスティア干渉を管理する。
• セルラーユーザーのカバレッジ確率を保証しつつ、D2Dリンクスケジューリングを最大化する集中型パワー制御アルゴリズムを設計する。
• ローカルCSIのみを用いてD2D和レートを最大化する分散型オンオフパワー制御方式を提案し、フィードバックオーバーヘッドを低減する。
• D2D密度および路損失指数の関数として、セルラーリンクおよびD2Dリンクのカバレッジ確率、およびD2D和レートの閉形式表現を導出する。

提案手法

• D2Dユーザーの位置を空間のポアソン点過程（PPP）としてモデル化することで、確率的幾何学を用いた干渉モデルの簡潔な記述を可能にする。
• SINR制約を満たすD2Dおよびセルラーリンクの両方を満たす条件下で、活性なD2Dリンク数を最大化するための凸最適化問題を解く集中型パワー制御アルゴリズムを提案する。
• 直接リンクのローカルチャネル状態情報（CSI）に基づき、最も強いD2Dリンクのみを選択して送信する分散型オンオフパワー制御戦略を考案する。
• 干渉場のラプラス変換とスリヴニャクの定理を用いて、上行リンクのセルラーリンクのカバレッジ確率を導出する。
• 提案されたパワー制御の下で、すべての潜在的D2Dリンクにおける成功送信確率を統合することでD2D和レートを計算する。
• ジェンセンの不等式を適用して、パワー制御下でのセルラーカバレッジ確率の下界を導出し、実用的なパワー制御制約下での簡潔な性能解析を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アンダーレイネットワークにおけるD2Dリンク密度および路損失指数が、セルラーリンクおよびD2Dリンクのカバレッジ確率に与える影響は何か？
• RQ2 D2D密度が低い場合に、ネットワーク性能を支配するのは、D2D内干渉かクロスティア干渉か？
• RQ3 分散型オンオフパワー制御戦略は、最小限のCSIフィードバックで近似的に最適な和レートを達成できるか？
• RQ4 集中型パワー制御は、D2Dリンクスケジューリングとセルラーリンクの信頼性の両立をどのように実現するか？
• RQ5 D2Dリンクの確率的空間モデル下で、カバレッジ確率および和レートの解析的表現を導出できるか？

主な発見

• D2Dリンク密度が低い場合、D2Dリンクからセルラーリンクへのクロスティア干渉がD2Dアンダーレイセルラーネットワークにおける主な性能制約要因であり、D2D内干渉ではない。
• 提案された集中型パワー制御アルゴリズムにより、セルラーユーザーの目標カバレッジ確率を維持しつつ、複数のD2Dリンクを同時に送信可能にする。
• 分散型オンオフパワー制御戦略は、直接リンクのローカルCSIに基づき最も強いリンクのみを選択することで、D2Dリンクの和レートを最大化し、近似的に最適な性能を達成する。
• セルラーリンクおよびD2Dリンクのカバレッジ確率、およびD2D和レートの解析的表現が導出され、シミュレーションによる検証でその正確性が確認された。
• ジェンセンの不等式を用いて導出したセルラーカバレッジ確率の下界は、タイトであり、実用的なパワー制御制約下での有用な性能指標を提供する。