[論文レビュー] Resource Allocation for Device-to-Device Communications Underlaying Heterogeneous Cellular Networks Using Coalitional Games

Yali Chen, Bo Ai+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2018

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 24被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、ミリ波（mmWave）およびSub-6 GHz帯を統合する異種セルラーネットワーク（HCNs）におけるデバイス・ツー・デバイス（D2D）通信のための協力ゲームベースのリソース割り当てフレームワークを提案する。D2Dペアとセルラー利用者を、システム合計スループットを最大化するように協力するプレイヤーとしてモデル化し、ナッシュ安定均衡への高速収束を達成する近似的最適性能を実現し、高遮蔽条件下では従来手法に比べ最大332%の合計スループット向上を達成する。

ABSTRACT

Heterogeneous cellular networks (HCNs) with millimeter wave (mmWave) communications included are emerging as a promising candidate for the fifth generation mobile network. With highly directional antenna arrays, mmWave links are able to provide several-Gbps transmission rate. However, mmWave links are easily blocked without line of sight. On the other hand, D2D communications have been proposed to support many content based applications, and need to share resources with users in HCNs to improve spectral reuse and enhance system capacity. Consequently, an efficient resource allocation scheme for D2D pairs among both mmWave and the cellular carrier band is needed. In this paper, we first formulate the problem of the resource allocation among mmWave and the cellular band for multiple D2D pairs from the view point of game theory. Then, with the characteristics of cellular and mmWave communications considered, we propose a coalition formation game to maximize the system sum rate in statistical average sense. We also theoretically prove that our proposed game converges to a Nash-stable equilibrium and further reaches the near-optimal solution with fast convergence rate. Through extensive simulations under various system parameters, we demonstrate the superior performance of our scheme in terms of the system sum rate compared with several other practical schemes.

研究の動機と目的

• mmWaveおよびSub-6 GHz帯を統合する異種セルラーネットワーク（HCNs）におけるD2Dペアとセルラー利用者の間の効率的スペクトル共有の課題に対処すること。
• mmWaveおよびセルラー帯域の両方で共有された無線リソースに起因する干渉制約下で、システム合計スループットを最大化すること。
• 低計算複雑性で近的最適性能を達成できる分散型でスケーラブルなリソース割り当てメカニズムを設計すること。
• mmWaveリンクにおける路損、シャドウイング、遮蔽といった現実的な伝搬劣化要因を考慮すること。
• ゲーム理論的均衡解析を通じて、安定なネットワーク分割への収束を保証すること。

提案手法

• mmWaveおよびセルラー帯域における干渉、路損、遮蔽を考慮した非線形整数プログラミング問題として上行リソース割り当て問題を定式化する。
• D2Dペアとセルラー利用者が、合計スループットを最大化するためにスペクトルリソースを共同で利用する協力形成ゲームを導入する。
• 到達可能スペクトル効率に基づき、ビームフォーミングゲインと干渉制約を組み込んだ各協力のユーティリティ関数を定義する。
• プレイヤーが反復的に協力に再参加することで個々のユーティリティを向上させるベストレスポンス更新ルールを採用し、ナッシュ安定均衡への収束を保証する。
• 理論的解析により、現実的なチャネル条件下でのナッシュ安定分割への収束および近的最適性を証明する。
• mmWaveリンクの信頼性をシミュレートするために、半パワー波束幅（θ−3dB）と遮蔽確率（β）を有する現実的な指向性アンテナモデルを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 mmWaveおよびセルラー帯を有するHCNsにおいて、D2Dペアとセルラー利用者を効率的に協力にグループ化することで、システム合計スループットを最大化する方法は何か？
• RQ2 提案された協力ゲームの収束特性はどのように変化するか？計算複雑性の観点で、全探索と比較してどうなるか？
• RQ3 遮蔽確率（β）と波束幅（θ−3dB）が、ベースライン手法と比較して提案手法の性能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 ゲームベースのアプローチが、従来のリソース割り当て手法に比べ、合計スループットおよびチャネル劣化要因へのロバストネスの観点でどの程度優れているか？
• RQ5 高ユーザ密度および高干渉環境下でも、協力ゲームは高速収束を達成し、近的最適合計スループットを実現できるか？

主な発見

• 提案された協力ゲーム（CG）は、遮蔽確率（β = 0.8）が高くなる条件でも、基準手法（RC）に比べ最大332%の高いシステム合計スループットを達成し、優れたロバストネスを示す。
• 波束幅（θ−3dB）が80°に増加すると、CGはFMCに比べ9%、RCに比べ298%の高い合計スループットを達成し、干渉管理能力の優位性が示された。
• CGにおけるスイッチ操作回数はD2Dペア数および協力数に比例して増加するが、全探索（8^Nイテレーション）に比べて著しく低く保たれ、高速収束が裏付けられた。
• ネットワーク領域サイズが拡大する（辺長が100 mから600 mに）と、路損および遮蔽の増加によりすべての手法で合計スループットが低下するが、CGが最も高い性能を維持した。
• CG、FMC、RCの合計スループットは遮蔽確率（β）の増加に伴い低下するが、CCGおよびFCCは低く安定したまま維持され、mmWaveリンク信頼性の影響が確認された。
• 理論的解析により、協力ゲームがナッシュ安定均衡に収束することが確認され、安定的で予測可能なネットワーク運用が保証された。