[논문 리뷰] Enhancing Multiuser MIMO Through Opportunistic D2D Cooperation

Can Karakus, Suhas Diggavi|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 21.

Cooperative Communication and Network Coding참고 문헌 36인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 기지국-사용자 간 MIMO 링크 외부의 장치 간(D2D) 협업을 통해 비허가된 ISM 대역을 유연하게 활용함으로써 다중 사용자 MIMO(MU-MIMO) 다운링크 성능을 향상시키는 셀룰러 아키텍처를 제안한다. 이는 압축-전달 중계 방식을 통해 가상 MIMO 채널을 형성한다. 이 방식은 5번째 백분위수(셀 엣지) 사용자에게 최대 6배의 Throughput 향상을 달성하며, SU-MIMO 대비 중앙값 사용자에게는 최대 4.5배의 성능 향상을 이룬다. 이는 새로운 유용성 기반 스케줄링 알고리즘을 통해 공정성과 시스템 안정성을 유지함으로써 달성된다.

ABSTRACT

We propose a cellular architecture that combines multiuser MIMO (MU-MIMO) downlink with opportunistic use of unlicensed ISM bands to establish device-to-device (D2D) cooperation. The architecture consists of a physical-layer cooperation scheme based on forming downlink virtual MIMO channels through D2D relaying, and a novel resource allocation strategy for such D2D-enabled networks. We prove the approximate optimality of the physical-layer scheme, and demonstrate that such cooperation boosts the effective SNR of the weakest user in the system, especially in the many-user regime, due to multiuser diversity. To harness this physical-layer scheme, we formulate the cooperative user scheduling and relay selection problem using the network utility maximization framework. For such a cooperative network, we propose a novel utility metric that jointly captures fairness in throughput and the cost of relaying in the system. We propose a joint user scheduling and relay selection algorithm, which we prove to be asymptotically optimal. We study the architecture through system-level simulations over a wide range of scenarios. The highlight of these simulations is an approximately $6$x improvement in data rate for cell-edge (bottom fifth-percentile) users (over the state-of-the-art SU-MIMO) while still improving the overall throughput, and taking into account various system constraints.

연구 동기 및 목표

• 채널 상태가 열악한 셀 엣지 사용자에게도 균일한 고속 연결을 제공하는 데 도전 과제를 해결한다.
• 전체 합산 Throughput를 희생시키지 않으면서 다중 사용자 MIMO 시스템의 스펙트럼 효율성과 공정성을 향상시킨다.
• 다수의 사용자가 집중된 밀도 높은 환경에서 다운링크 성능 향상을 위해 미사용된 비허가 ISM 대역을 D2D 협업에 활용한다.
• 부분적인 채널 상태 정보, 간섭, 중계 비용을 고려한 공동 사용자 스케줄링 및 중계기 선택 알고리즘을 설계한다.
• WiFi와 같은 기존 비허가 기술과의 공존을 확보하면서도 셀 엣지 사용자에게 최대의 이점을 제공한다.

제안 방법

• D2D 협업을 통해 가상 MIMO 채널을 형성하기 위해 압축-전달 중계 및 MIMO beamforming 기반의 물리계층 방식을 제안한다.
• 사용자 스케줄링 및 중계기 선택을 위한 공동 최적화를 위해 네트워크 유용성 최대화(NUM) 기반 수식을 사용하며, 유용성 균형과 중계 비용을 고려한 새로운 유용성 함수를 도입한다.
• 간섭과 자원 제약를 관리하기 위해 시스템 안정성 영역의 내부 경계를 기반으로 한 흐름 제어 메커니즘을 도입한다.
• 부분적인 네트워크 상태 지식을 고려해 확장된 단일 사용자 스케줄링 알고리즘을 협업형 MU-MIMO에 적용한다.
• D2D 사용자가 바쁜 채널을 피하기 위해 D2D 전송을 최소화하는 방식으로 WiFi와의 공존을 모델링하기 위해 도움을 주는 주기 또는 채널 감지 메커니즘을 사용한다.
• 다양한 시나리오(다양한 세포 크기, 클러스터 반경, LOS/NLOS 조건 포함)에서 3GPP 채널 모델 기반의 시스템 수준 시뮬레이션을 통해 아키텍처를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비허가 ISM 대역에서의 유연한 D2D 협업이 MU-MIMO 다운링크 시스템에서 셀 엣지 사용자의 효과적 SNR 및 데이터 전송률을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 부분적인 채널 상태 정보와 중계 비용을 고려하여 시스템 유용성을 극대화하는 공동 사용자 스케줄링 및 중계기 선택 알고리즘은 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ3 사용자 클러스터링, path loss, 전파 조건(LOS 대비 NLOS)은 제안된 D2D 협업 아키텍처의 성능 향상에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 제안된 아키텍처는 기존 비허가 기술(예: WiFi)과 어떻게 공존하는가? WiFi 사용자에 대한 간섭 영향은 어떠한가?
• RQ5 제안된 스케줄링 및 중계 메커니즘은 전체 사용자 분포, 특히 가장 약한 사용자(5번째 백분위수)의 공정성과 Throughput 향상에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 제안된 D2D 협업 아키텍처는 최첨단 SU-MIMO 대비 5번째 백분위수(셀 엣지) 사용자에게 최대 약 6배의 Throughput 향상을 달성한다.
• 대규모 세포 환경에서 중앙값 사용자는 SU-MIMO 대비 최대 4.5배의 Throughput 향상을 경험하며, 세포 크기와 채널 조건에 따라 3.5배에서 6.3배의 성능 향상이 관찰된다.
• 고성능 사용자에게도 높은 Throughput를 유지하며, 성능 저하가 관찰되지 않아 전체 합산 Throughput 향상이 보장된다.
• 간섭으로 인한 안정성 제약은 소형 세포에서 대형 세포보다 더 큰 영향을 미치며, 밀도 높은 환경에서는 성능 향상이 약간 감소한다.
• LOS D2D 링크는 클러스터 반경 200m까지 대부분의 성능 향상을 유지하지만, NLOS 링크는 100~150m를 초과하면 모든 성능 향상이 소실되며, 전파 조건에 매우 민감함을 보인다.
• WiFi와의 공존은 WiFi 사용자에게 최소한의 Throughput 손실을 초래하며, D2D 전송이 희박하고 유연하기 때문에 실세계 구현 가능성은 검증된다.