[論文レビュー] Spectral Efficiency and Outage Performance for Device-to-Device Cooperation in Uplink Cellular Communication.

Ahmad Abu Al Haija, Mai Vu|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2013

Cooperative Communication and Network Coding被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、セルラー通信網におけるスペクトル効率およびアウトージー性能の向上を目的として、デバイス間（D2D）通信とインfrastrucure協調を組み合わせた時間分割上行リンク伝送方式を提案する。各フレームを3フェーズに分割し、ユーザー間での部分的情報交換の後、基地局への共同伝送を行うことで、周波数分割方式と比較して優れたもしくは同等の性能を達成する。これにより、シグナリングと復調遅延が低減され、レイリー fading 環境下で受信側に完全なチャネル状態情報（CSI）が得られ、送信側に限られたCSIが得られる状況でも完全な diversity gain を維持する。

ABSTRACT

We propose a time-division uplink transmission scheme that is applicable to future cellular systems by introducing hybrid device-to-device (D2D) and infrastructure cooperation. We analyze its spectral efficiency and outage performance and show that compared to existing frequency-division schemes, the proposed scheme achieves the same or better spectral efficiency and outage performance while having simpler signaling and shorter decoding delay. Using time-division, the proposed scheme divides each transmission frame into three phases with variable durations. The two user equipments (UEs) partially exchange their information in the first two phases, then cooperatively transmit to the base station (BS) in the third phase. We further formulate its common and individual outage probabilities, taking into account outages at both UEs and the BS. We analyze this outage performance in Rayleigh fading environment assuming full channel state information (CSI) at the receivers and limited CSI at the transmitters. Results show that comparing to non-cooperative transmission, the proposed cooperation always improves the instantaneous achievable rate region even under half-duplex transmission. Moreover, as the received signal-to-noise ratio increases, this uplink cooperation significantly reduces overall outage probabilities and achieves the full diversity order in spite of additional outages at the UEs. These characteristics of the proposed uplink cooperation make it appealing for deployment in future cellular networks.

研究の動機と目的

• 将来のネットワークにおける上行リンクセルラー通信におけるスペクトル効率およびアウトージー性能の制限要因に対処すること。
• 従来の周波数分割に基づく協調方式と比較して、シグナリングの複雑さと復調遅延を低減すること。
• 時間分割多重を用いて、ユーザー設備（UE）と基地局（BS）間の協調伝送を可能とすること。
• 受信側に完全なチャネル状態情報（CSI）が得られ、送信側に限られたCSIが得られる状況下でのレイリー fading 環境におけるアウトージー性能を分析すること。
• 半二重モード下でも協調伝送が瞬間的な実現可能レート領域を向上させることを示すこと。

提案手法

• 各伝送フレームを3フェーズに分割：UE間での部分的D2D情報交換を2フェーズ、基地局への共同上行リンク伝送を1フェーズとする。
• 性能最適化のための可変持続時間を持つ、協調フェーズを調整するための時間分割duplex（TDD）を採用する。
• UEおよび基地局での両方のアウトージーを考慮した共通および個別アウトージー確率を定式化する。
• 受信側に完全なチャネル状態情報（CSI）が得られ、送信側に限られたCSIが得られる状況下でのレイリー fading 環境下におけるスペクトル効率およびアウトージー性能を分析する。
• 半二重伝送下での性能向上を評価するために、瞬間的な実現可能レート領域の分析を実施する。
• 信号対雑音比（SNR）の増加に伴うアウトージー性能のスケーリングを評価するための diversity 階数を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 提案された時間分割D2Dおよびインfrastrucure協調方式は、周波数分割方式と比較して、スペクトル効率およびアウトージー性能においてどのように異なるか？
• RQ2 UE間での部分的情報交換が、全体のシステムアウトージー確率に与える影響は何か？
• RQ3 半二重モード下での協調伝送でも、UEに追加のアウトージーリスクがあるにもかかわらず、完全な diversity 階数を達成できるか？
• RQ4 協調伝送と非協調伝送の間で、瞬間的な実現可能レート領域はどのように変化するか？
• RQ5 送信側に限られたCSIが得られる状況が、提案方式の性能にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 提案方式は、従来の周波数分割方式と同等または優れたスペクトル効率およびアウトージー性能を達成するが、シグナリングが単純で復調遅延が短い。
• 非協調伝送と比較して、提案方式の協調伝送は、半二重制約下にあっても常に瞬間的な実現可能レート領域を向上させる。
• 受信信号対雑音比（SNR）が増加するにつれて、有効な diversity gain により、全体のアウトージー確率が顕著に低下する。
• UEに追加のアウトージーリスクがあるにもかかわらず、本方式は完全な diversity 階数を達成しており、フェージング環境下での頑健性を示している。
• 第3フェーズにおける共同伝送により、両方のUEが部分的チャネル状態情報（CSI）を用いて基地局にデータを送信することで、アウトージー性能が向上する。
• 受信側に完全なCSIが得られ、送信側に限られたCSIが得られる状況下でも、レイリー fading 条件下で高い信頼性とスペクトル効率を維持する。