[논문 리뷰] Device-to-Device Communication Underlaying a Finite Cellular Network Region

Jing Guo, Salman Durrani외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 12.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 39인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 유한한 셀룰러 네트워크 영역 내에서 인트라셀 간섭을 관리하기 위해 언더레이 인바운드 D2D 통신에서 D2D 모드 선택 기법을 제안한다. 스토하스틱 기하학을 사용하여 D2D 사용자 위치를 포아송 점 프로세스로 모델링하고, 기지국 및 D2D 수신기에서의 아웃리지 확률을 유도하며, 셀룰러 링크의 경로 손실 지수를 약간 감소시켜도 스펙트럼 재사용 비율을 유지하면서 D2D 밀도가 높아도 성공적인 D2D 전송 수를 증가시킬 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Underlay in-band device-to-device (D2D) communication can improve the spectrum efficiency of cellular networks. However, the coexistence of D2D and cellular users causes inter-cell and intra-cell interference. The former can be effectively managed through inter-cell interference coordination and, therefore, is not considered in this work. Instead, we focus on the intra-cell interference and propose a D2D mode selection scheme to manage it inside a finite cellular network region. The potential D2D users are controlled by the base station (BS) to operate in D2D mode based on the average interference generated to the BS. Using stochastic geometry, we study the outage probability experienced at the BS and a D2D receiver, and spectrum reuse ratio, which quantifies the average fraction of successfully transmitting D2D users. The analysis shows that the outage probability at the D2D receiver varies for different locations. Additionally, without impairing the performance at the BS, if the path-loss exponent on the cellular link is slightly lower than that on the D2D link, the spectrum reuse ratio can have negligible decrease while the D2D users' average number of successful transmissions increases with increasing D2D node density. This indicates that an increasing level of D2D communication can be beneficial in future networks..

연구 동기 및 목표

• 유한한 셀룰러 네트워크 영역 내에서 언더레이 인바운드 D2D 통신의 인트라셀 간섭을 해결하기 위해.
• 공간적 제약 조건으로 인해 위치에 따라 성능이 달라지는 D2D 사용자의 특성을 모델링하기 위해.
• 기지국에 미치는 평균 간섭을 기반으로 한 D2D 모드 선택 기법을 개발하기 위해.
• 스토하스틱 기하학을 사용하여 기지국 및 일반 D2D 수신기에서의 아웃리지 확률을 분석하기 위해.
• 성공적인 D2D 전송의 척도로 스펙트럼 재사용 비율을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 셀룰러 네트워크 영역을 유한한 디스크로 모델링하고, D2D 사용자를 잠재적 D2D 사용자(p-DUEs)의 포아송 점 프로세스(PPP)로 간주한다.
• 스토하스틱 기하학을 활용하여 기지국 및 일반 D2D 수신기에서의 아웃리지 확률을 유도하며, 경로 손실과 fading을 고려한다.
• p-DUE가 기지국에 미치는 간섭이 임계값 ξ 이하일 경우에만 D2D 모드로 작동하도록 하는 모드 선택 기준을 도입한다.
• 두 개의 원 영역의 겹침을 분석하여, D2D 수신기 중심에 있는 원과 간섭 제약 조건으로 정의된 다른 원 영역의 겹침을 통해 p-DUE가 D2D 모드에 있을 확률을 유도한다.
• 해석 가능한 표현을 도출하기 위해 감마 분포 근사와 이항 전개를 적용하여 다양한 경로 손실 지수에서의 D2D 모드 확률을 유도한다.
• 셀룰러 링크와 D2D 링크에서의 경로 손실 지수의 차이가 스펙트럼 재사용 비율과 아웃리지 성능에 미치는 영향을 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유한한 셀룰러 영역 내에서 D2D 사용자의 위치가 아웃리지 확률과 기지국에 미치는 간섭에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 기지국 간섭을 최소화하면서 D2D 스펙트럼 재사용을 극대화하는 최적의 D2D 모드 선택 전략은 무엇인가?
• RQ3 셀룰러 링크의 경로 손실 지수와 D2D 링크의 경로 손실 지수 간의 비교가 스펙트럼 재사용 비율과 D2D 성공률에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 유한한 영역에서 기지국 성능을 유지하면서 성공적인 D2D 전송 수를 증가시키는 데서의 상충 관계는 무엇인가?
• RQ5 D2D 사용자의 공간 분포가 아웃리지 및 스펙트럼 효율성 측면에서 전체 네트워크 성능에 미치는 영향은 어떠한가?

주요 결과

• D2D 수신기에서의 아웃리지 확률은 위치에 따라 달라지며, 기지국에서 멀리 떨어진 사용자일수록 높은 값을 보인다.
• 셀룰러 링크의 경로 손실 지수가 D2D 링크의 경로 손실 지수와 약간만 낮아지더라도, D2D 노드 밀도가 증가함에 따라 스펙트럼 재사용 비율은 거의 감소하지 않으며 유지된다.
• D2D 노드 밀도가 증가할수록 기지국 성능에 영향을 주지 않으면서도 성공적인 D2D 전송의 평균 수가 크게 증가한다.
• 제안된 모드 선택 기법은 간섭-기지국 임계값 기반으로 D2D 전송을 제한함으로써 인트라셀 간섭을 효과적으로 제어한다.
• 스토하스틱 기하학을 사용한 분석 모델은 유한한 영역에서 D2D 이득과 셀룰러 링크 신뢰성 간의 상충 관계를 정확히 반영한다.
• 유도된 D2D 모드 확률 표현은 일반적인 경로 손실 지수에 대해 유효하며, 공간 분포와 패딩 효과를 모두 포함한다.