[論文レビュー] Uplink Performance Analysis in D2D-Enabled mmWave Cellular Networks with Clustered Users

Esma Turgut, M. Cenk Gursoy|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2017

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 21被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、実世界のクラスタリング行動を反映するために、D2Dユーザーをポアソンクラスタプロセス（PCP）としてモデル化した、mmWaveセルラー通信網における上行リンク性能を評価するための確率的幾何学的フレームワークを提案する。このフレームワークでは、セルラーおよびD2DリンクのSINRアウトレイジ確率を導出するとともに、方向性ビームフォーミング、視線（LOS）/非視線（NLOS）路損失モデル、ビームアライメント誤差を組み込み、下位共有および上位共有スペクトル共有モードにおけるエリアスペクトル効率（ASE）を計算し、上位共有における最適なスペクトル分割を同定する。

ABSTRACT

In this paper, an analytical framework is provided to analyze the uplink performance of device-to-device (D2D)-enabled millimeter wave (mmWave) cellular networks with clustered D2D user equipments (UEs). Locations of cellular UEs are modeled as a Poison Point Process (PPP), while locations of potential D2D UEs are modeled as a Poisson Cluster Process (PCP). Signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) outage probabilities are derived for both cellular and D2D links using tools from stochastic geometry. The distinguishing features of mmWave communications such as directional beamforming and having different path loss laws for line-of-sight (LOS) and non-line-of-sight (NLOS) links are incorporated into the outage analysis by employing a flexible mode selection scheme. Also, the effect of beamforming alignment errors on the outage probability is investigated to get insight on the performance in practical scenarios. Moreover, area spectral efficiency (ASE) of the entire network is determined for both underlay and overlay types of sharing. Optimal spectrum partition factor is determined for overlay sharing by considering the optimal weighted proportional fair spectrum partition.

研究の動機と目的

• D2Dユーザーが一様に分布しているのではなく、空間的にクラスタを形成するmmWaveセルラー通信網における上行リンク性能をモデル化・分析すること。
• 視線（LOS）/非視線（NLOS）路損失、方向性ビームフォーミング、ビームアライメント誤差を含む、現実的なmmWave伝搬特性を組み込むこと。
• 下位共有および上位共有スペクトル共有モードを評価し、上位共有における重み付き比例フェアネスを最大化する最適なスペクトル分割を同定すること。
• 確率的幾何学的手法を用いて、SINRアウトレイジ確率およびエリアスペクトル効率（ASE）の閉形式表現を導出すること。

提案手法

• セルラーUEをポアソン点過程（PPP）としてモデル化し、潜在的なD2D UEをポアソンクラスタプロセス（PCP）としてモデル化する。具体的には、トーマスクラスタプロセスを用いる。
• LOSおよびNLOS伝搬を別々に扱う柔軟なモード選択スキームを採用し、異なる路損失指数を適用する。
• PPPのモーメント生成関数および確率生成関数関数型（PGFL）を用いて、セルラーおよびD2Dリンクからの干渉電力のラプラス変換を求める。
• フェージングゲインを指数分布確率変数としてモデル化し、ビームフォーミング利得と干渉電力に応じて調整することで、ビームフォーミング利得とビームアライメント誤差を組み込む。
• 低干渉密度下での極座標変換およびポアソン近似を用いて、クラスタ内およびクラスタ間干渉のラプラス変換を導出する。
• 距離と路損失モデルに応じた条件付き確率を用い、距離分布およびビームフォーミング利得の積分を実行することで、全体のアウトレイジ確率を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ユーザーのクラスタリングは、mmWave D2D対応セルラー通信網における上行リンクアウトレイジ確率にどのように影響するか？
• RQ2 ビームフォーミング利得とビームアライメント誤差は、mmWave D2DネットワークにおけるSINRアウトレイジ性能にどのような影響を及えるか？
• RQ3 LOSおよびNLOS伝搬状態は、D2Dおよびセルラー上行リンクの性能にどのように影響を及えるか？
• RQ4 重み付き比例フェアネスを最大化する目的で、上位共有における最適なスペクトル分割要因は何か？
• RQ5 クラスタリングされたmmWaveネットワークにおける、下位共有および上位共有モードにおけるエリアスペクトル効率（ASE）はどのようにスケーリングされるか？

主な発見

• セルラーUEのSINRアウトレイジ確率は、ビームフォーミング利得と路損失モデルによって決定される重み付き和として導出される。
• D2Dリンクのアウトレイジ確率は、干渉をクラスタ内およびクラスタ間成分に分解して分析し、両者に対して閉形式のラプラス変換が導出されている。
• ビームアライメント誤差は指数フェージングを用いてモデル化され、特にNLOS条件下でアウトレイジ確率を上昇させる影響があることが示された。
• 下位共有および上位共有の両方に対して、エリアスペクトル効率（ASE）が導出されており、最適なスペクトル分割下では上位共有モードがより高いASEを達成する。
• 上位共有における最適なスペクトル分割要因は、重み付き比例フェアな割り当てを最適化することで特定され、システムのフェアネスとスペクトル効率を向上させる。
• 分析結果から、クラスタリングは干渉相関を低減させ、特に高密度環境下では一様分布のD2D UEと比較して性能を向上させることを示している。