[論文レビュー] Power Control for D2D Underlay in Multi-cell Massive MIMO Networks

Amin Ghazanfari, Emil Björnson+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2018

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 13被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、マルチセルマスィブMIMOネットワークにおけるデバイス・ツー・デバイス（D2D）アンダーレイ通信のためのパワー制御およびパイロット割り当て方式を提案する。セルラーユーザーとD2Dユーザーに直交パイロットを割り当て、閉形式の容量下限を導出する。提案されたマックスミニムフェアネスパワー制御アルゴリズムは干渉を効果的に低減し、D2Dアンダーレイが存在してもセルラーユーザーの高い性能を維持しながら、ネットワークの合計スペクトラル効率を向上させる。

ABSTRACT

This paper proposes a new power control and pilot allocation scheme for device-to-device (D2D) communication underlaying a multi-cell massive MIMO system. In this scheme, the cellular users in each cell get orthogonal pilots which are reused with reuse factor one across cells, while the D2D pairs share another set of orthogonal pilots. We derive a closed-form capacity lower bound for the cellular users with different receive processing schemes. In addition, we derive a capacity lower bound for the D2D receivers and a closed-form approximation of it. Then we provide a power control algorithm that maximizes the minimum spectral efficiency (SE) of the users in the network. Finally, we provide a numerical evaluation where we compare our proposed power control algorithm with the maximum transmit power case and the case of conventional multi-cell massive MIMO without D2D communication. Based on the provided results, we conclude that our proposed scheme increases the sum spectral efficiency of multi-cell massive MIMO networks.

研究の動機と目的

• マルチセルマスィブMIMOネットワークにおけるD2Dアンダーレイ通信に起因する干渉の課題に対処すること。
• セルラーユーザーとD2Dユーザーの効率的共存を実現するために、セルラーユーザーとD2Dペアに直交パイロットを割り当てるパイロット割り当て方式の設計。
• セルラーユーザーおよびD2Dユーザーの両方の閉形式容量下限を導出し、解析的パワー制御設計を可能にする。
• セルラーユーザーおよびD2Dユーザーの送信パワーを共同最適化するマックスミニムフェアネスパワー制御問題を定式化および解法すること。
• 従来のマスィブMIMOおよび最大送信パワー方式と比較して、提案方式の合計スペクトラル効率およびフェアネスの向上を評価すること。

提案手法

• 各セル内でセルラーユーザーに直交パイロットを割り当て、セル間で再利用係数1を適用し、ネットワーク全体にわたりD2Dペアに別個の直交パイロットセットを割り当てる。
• 最大比合成（MR）およびゼロフォーサーイング（ZF）結合技術を用いて、セルラーユーザーの閉形式容量下限を導出する。
• 小さなスケール fading に関する期待値を含むD2D受信機の容量下限を導出し、実用的最適化を可能にする閉形式近似を提示する。
• すべてのユーザーの最小スペクトラル効率を最大化するマックスミニムフェアネスパワー制御問題を定式化し、個々のパワー制約を満たす。
• スペクトラル効率下限を対象関数として、分周法に基づくラインサーチアルゴリズムを用いて非凸最適化問題を解く。
• 9セルネットワーク、現実的な路損モデル、現実的なパワー制約を用いた数値評価により、提案方式の性能を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周波数を共有する再利用条件下で、マルチセルマスィブMIMOネットワークにおけるセルラーユーザーとD2Dユーザーの両方をサポートする直交パイロット割り当てはどのように設計できるか？
• RQ2 MRおよびZF処理下でのセルラーユーザーおよびD2Dユーザーの容量下限の閉形式式は何か？ また、それらはパワー制御設計をどのように支援できるか？
• RQ3 干渉を最小限に抑えつつ、マックスミニムフェアネスを保証する解析的実装可能なパワー制御アルゴリズムを設計できるか？
• RQ4 D2DアンダーレイがマスィブMIMOネットワークにおける合計スペクトラル効率およびセルラーユーザーのフェアネスに与える影響は何か？
• RQ5 最大送信パワー方式およびD2Dなしの従来のマスィブMIMOと比較して、提案されたパワー制御方式はスペクトラル効率およびフェアネスの観点でどのように優れているか？

主な発見

• 提案されたパワー制御アルゴリズムは、D2Dアンダーレイがない場合とほぼ同等のセルラーユーザーのスペクトラル効率を達成しており、干渉低減の有効性を示している。
• マックスミニムフェアネスパワー制御により、最大パワー送信と比較して最も弱い10%のユーザーのスペクトラル効率が向上し、全体の性能を犠牲にせずにフェアネスを実現している。
• D2Dアンダーレイにより、アクティブユーザー数の増加に伴いネットワークの合計スペクトラル効率が向上し、D2Dなしの従来のマスィブMIMOと比較して利得が得られている。
• 数値結果から、D2Dペアがランダムに配置されており、セルに所属していない場合でも、提案方式はセルラーユーザーおよびD2Dユーザーの両方のスペクトラル効率を高い水準で維持していることが示された。
• D2D容量下限の閉形式近似により、フェージングの期待値を含むため実装が困難な問題に対しても、実用的なパワー制御アルゴリズムの実装が可能になった。
• ZF処理では、特に高負荷状態において、MR処理と比較してセルラーユーザーのスペクトラル効率向上が顕著に見られた。