[논문 리뷰] An Energy Efficient D2D Model with Guaranteed Quality of Service for Cloud Radio Access Networks

Isuru Ranawaka, Kasun T. Hemachandra외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 15.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 19인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 클라우드 무선 접근망(CRAN)에서 디바이스 투 디바이스(D2D) 통신 모델을 제안하며, D2D 링크가 동시에 CRAN에 오버레이되는 방식과 비허가 대역인 ISM 대역에서 동시에 작동하도록 한다. 링크 거리 기반 스펙트럼 선택 기법과 분석적 전력 최소화를 통해, 단일 D2D 네트워크 대비 거의 50%의 에너지 절감을 달성하면서도 전송 지연 위반 확률 제약 조건을 통해 서비스 품질(QoS)을 보장한다.

ABSTRACT

This paper proposes a spectrum selection scheme and a transmit power minimization scheme for a device-to-device (D2D) network cross-laid with a cloud radio access network (CRAN). The D2D communications are allowed as an overlay to the CRAN as well as in the unlicensed industrial, scientific and medical radio (ISM) band. A link distance based scheme is proposed and closed-form approximations are derived for the link distance thresholds to select the operating band of the D2D users. Furthermore, analytical expressions are derived to calculate the minimum required transmit power to achieve a guaranteed level of quality of service in each operating band. The results demonstrate that the proposed scheme achieves nearly 50% power saving compared to a monolithic (purely overlay or purely ISM band) D2D network.

연구 동기 및 목표

• 장치의 에너지 제약과 간섭으로 인한 D2D 네트워크의 에너지 효율성 및 QoS 한계를 해결하기 위해.
• 캐싱과 스펙트럼 공유를 통한 D2D 오프로딩을 통해 CRAN의 백홀 및 프론트홀 트래픽을 줄이기 위해.
• 오버레이 CRAN 및 ISM 대역 스펙트럼을 모두 활용하여 에너지 효율성과 QoS를 향상시키는 하이브리드 D2D 모델을 설계하기 위해.
• 스펙트럼 선택을 위한 임계 거리와 보장된 QoS를 위한 최소 전송 전력에 대한 분석적 도출을 위해.
• 하이브리드 모델의 성능을 전력 소비 및 사용자 강도 측면에서 단일 D2D 네트워크와 비교하기 위해.

제안 방법

• 서비스를 제공하는 디바이스에 가까운 정도에 따라 D2D 사용자를 오버레이 CRAN 대역 또는 ISM 대역에 할당하는 링크 거리 기반 스펙트럼 선택 기법을 제안한다.
• 외부 대역(D2D) 사용자와 오버레이 대역 사용자로 나누는 임계 거리에 대한 폐쇄형 근사식을 유도한다.
• 각 운영 대역에서 목표 지연 위반 확률(DVP)을 충족하기 위해 필요한 최소 전송 전력을 계산하는 분석적 표현을 개발한다.
• 공간적으로 분포된 사용자를 포아송 점 프로세스로 모델링하고, Rayleigh fading, path loss, 그리고 무시할 만한 노이즈를 가정한 캐시 기반 E-CRAN을 시스템 모델로 설정한다.
• 외부 대역 및 오버레이 D2D 사용자 집합이 동질적 포아송 점 프로세스를 따른다는 가정 하에 커버리지 확률과 D2D 사용자 강도를 이론적으로 분석하며, 시뮬레이션을 통해 검증한다.
• 정확도와 계산 비용의 균형을 고려해 분석적 근사와의 성능 비교를 위해 반복 최적화 방법을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하이브리드 CRAN-D2D 네트워크에서 D2D 오프로딩을 극대화하면서도 QoS를 유지하기 위한 최적의 임계 거리는 무엇인가?
• RQ2 오버레이 대역과 ISM 대역 간에 동일한 QoS 수준을 확보하기 위해 필요한 최소 전송 전력은 어떻게 달라지는가?
• RQ3 ISM 대역 내 외부 사용자 밀도가 D2D 네트워크 성능과 스펙트럼 할당에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 단일 D2D 네트워크가 오직 오버레이 또는 ISM 대역에서만 작동하는 경우와 비교해 하이브리드 D2D 모델의 에너지 효율성은 어떻게 되는가?
• RQ5 분석적 근사가 하이브리드 배치 환경에서 D2D 사용자 강도와 커버리지 확률을 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 하이브리드 D2D 모델은 오직 오버레이 또는 ISM 대역에서만 작동하는 단일 D2D 네트워크 대비 평균 전송 전력에서 거의 50% 감소를 달성한다.
• 이론적 커버리지 확률가 시뮬레이션 결과와 밀도적으로 일치하여, 외부 대역 및 오버레이 D2D 사용자 집합이 동질적 포아송 점 프로세스를 따른다는 가정이 타당함을 검증한다.
• 외부 사용자 밀도(λext)가 증가함에 따라 QoS를 유지하기 위해 외부 대역 D2D 링크의 임계 거리(d⋆ou)는 감소하지만, 오버레이 임계 거리(d⋆ol)는 더 느린 속도로 감소한다.
• 하이브리드 모델에서는 단일 배포 대비 D2D 사용자 강도가 4~5배 증가하여 오프로딩 기회가 크게 향상됨을 나타낸다.
• 반복 최적화 방법은 분석적 근사보다 낮은 전력 소비를 달성하지만, 계산 복잡도가 더 높다는 비용을 지ays다.
• 고밀도 DP 환경에서는 간섭 제약으로 인해 D2D 링크 강도가 포화 상태에 도달하며, 네트워크 밀도가 증가함에 따라 외부 대역 링크가 오버레이 링크를 초월하게 된다.