[論文レビュー] Spectral and Energy Efficiency of Uplink D2D Underlaid Massive MIMO Cellular Networks

Anqi He, Lifeng Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2017

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 30被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、上行リンクデバイス・ツー・デバイス（D2D）アンダーレイ massive MIMO リンク間の周波数干渉を軽減するため、空間的に動的な電力制御方式を提案する。正確なスペクトル効率（SE）式を導出し、エネルギー効率（EE）を分析した結果、最適なD2D密度がエリアSEを最大化することを示しており、提案手法のもとでは、セルラーユーザーとD2Dユーザー間のEE性能が同等に達成可能であることが明らかになった。

ABSTRACT

One of key 5G scenarios is that device-to-device (D2D) and massive multiple-input multiple-output (MIMO) will be co-existed. However, interference in the uplink D2D underlaid massive MIMO cellular networks needs to be coordinated, due to the vast cellular and D2D transmissions. To this end, this paper introduces a spatially dynamic power control solution for mitigating the cellular-to-D2D and D2D-to-cellular interference. In particular, the proposed D2D power control policy is rather flexible including the special cases of no D2D links or using maximum transmit power. Under the considered power control, an analytical approach is developed to evaluate the spectral efficiency (SE) and energy efficiency (EE) in such networks. Thus, the exact expressions of SE for a cellular user or D2D transmitter are derived, which quantify the impacts of key system parameters such as massive MIMO antennas and D2D density. Moreover, the D2D scale properties are obtained, which provide the sufficient conditions for achieving the anticipated SE. Numerical results corroborate our analysis and show that the proposed power control solution can efficiently mitigate interference between the cellular and D2D tier. The results demonstrate that there exists the optimal D2D density for maximizing the area SE of D2D tier. In addition, the achievable EE of a cellular user can be comparable to that of a D2D user.

研究の動機と目的

• 高密度のセルラーやD2D伝送に起因する、上行リンクD2Dアンダーレイ massive MIMO セルラーネットワークにおける周波数干渉という重要な課題に対処すること。
• セルラーユーザーとD2Dユーザー間の干渉を軽減する、柔軟で空間的に動的な電力制御ポリシーを構築すること。
• 提案された電力制御のもとで、このようなハイブリッドネットワークにおけるスペクトル効率（SE）およびエネルギー効率（EE）を解析的に評価すること。
• 目標とするSEを達成するためのシステム設計のインサイト、特に最適なD2D密度およびスケーリング特性を特定すること。

提案手法

• D2Dユーザーに特化した空間的動的電力制御ポリシーを提案し、D2Dリンクなしや最大送信電力の特殊ケースを含む。
• 確率論的幾何学と点過程モデルを用いて、セルラーユーザーおよびD2Dユーザーのスペクトル効率（SE）の正確な閉形式式を導出する。
• 干渉電力のラプラス変換を用いて、信号対干渉加算ノイズ比（SINR）をモデル化し、SEの境界を導出する。
• 逆干渉＋ノイズ項の期待値を近似することで、Jensenの不等式を適用し、D2D SEのタイトな下限を得る。
• massive MIMO アンテナ数やD2Dユーザー密度といった主要パラメータの影響を分析することで、SEのスケーリング特性を導出する。
• Poisson点過程やパスロスモデルを含む確率論的幾何学的手法を用いて、ユーザーおよび基地局の空間的分布をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 D2Dティアのエリアスペクトル効率（SE）を最大化する最適なD2Dユーザー密度は何か？
• RQ2 massive MIMO アンテナ数は、セルラーリンクおよびD2Dリンクのスペクトル効率およびエネルギー効率にどのように影響するか？
• RQ3 提案された電力制御方式により、セルラーユーザーとD2Dユーザー間で同等のエネルギー効率（EE）を達成できるか？
• RQ4 D2Dアンダーレイ massive MIMO ネットワークで所望のスペクトル効率を達成するための十分条件は何か？
• RQ5 高密度ネットワーク下で、提案された動的電力制御は、セルラーユーザーからD2Dユーザーへの干渉およびD2Dユーザーからセルラーユーザーへの干渉をどのように軽減するか？

主な発見

• D2Dティアのエリアスペクトル効率（SE）を最大化する最適なD2Dユーザー密度が存在し、オフロード利得と干渉のトレードオフを示している。
• 提案された電力制御方式のもとで、セルラーユーザーのエネルギー効率（EE）はD2Dユーザーと同等に達成可能である。
• 導出されたスペクトル効率式は正確であり、massive MIMO アンテナ数やD2D密度といった主要システムパラメータの影響を明確に定量化している。
• D2D SEのスケーリング特性が導出され、さまざまなネットワーク条件のもとで目標SEを達成するための十分条件が提供されている。
• 数値結果により、提案された電力制御が、セルラーリンクとD2Dリソース間の干渉を効果的に軽減することが確認された。
• 確率論的幾何学の活用により、干渉の正確なモデル化が可能となり、解析的に取り扱えるSEおよびEE式が得られた。