[논문 리뷰] Performance Analysis and Optimization of Cooperative Full-Duplex D2D Communication Underlaying Cellular Networks

Guoling Liu, Wenjiang Feng외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 17.

Full-Duplex Wireless Communications인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 셀룰러 네트워크 상에 구축된 협업형 풀디럭스 디바이스투디바이스(D2D) 통신 시스템을 제안한다. 여기서 셀룰러 사용자가 슈퍼포지션 코드와 연속 간섭 제거(SIC)를 사용하여 풀디럭스 릴레이 기능을 수행함으로써 D2D 링크를 지원한다. 주요 기여는 최소로 달성 가능한 전송률을 최대화하는 최적의 전력 할당 기법으로, 이론적 분석과 시뮬레이션을 통해 기존의 허프디럭스 및 비협업 기법 대비 더 높은 스펙트럼 효율성과 아웃리지 성능 향상을 입증하였다.

ABSTRACT

This paper investigates the cooperative full-duplex device-to-device (D2D) communication underlaying cellular network, where the cellular user (CU) acts as a full-duplex relay to assist the D2D communication. To simultaneously support D2D relaying and uplink transmission, superposition coding and successive interference cancellation are adopted at the CU and the D2D receiver, respectively. The achievable rate region and joint outage probability are derived to characterize the performance of the considered system. An optimal power allocation scheme is proposed to maximize the minimum achievable rate. Besides, by analyzing the upper bound of the joint outage probability, we study a suboptimal power allocation to improve the outage performance. The simulation results confirm the theoretical analysis and the advantages of the proposed power allocation schemes.

연구 동기 및 목표

• 기존의 허프디럭스 릴레이 방식에서의 제한된 스펙트럼 효율성과 열악한 링크 품질 문제를 해결한다.
• 불리한 전파 조건에서 직접 D2D 링크의 성능 저하 문제를 해결하기 위해 풀디럭스 셀룰러 사용자를 릴레이로 도입한다.
• 서비스 품질 요구사항을 충족시키는 조건 하에 셀룰러 사용자와 D2D 사용자 간 최소로 달성 가능한 전송률을 극대화하는 전력 할당 전략을 설계한다.
• fading 채널 환경에서 시스템 신뢰성을 향상시키기 위해 공동 아웃리지 확률을 분석하고 최적화한다.
• 이론적 및 시뮬레이션 결과를 통해 풀디럭스 협업 방식이 허프디럭스 및 비협업 D2D 시스템에 비해 성능 향상을 얼마나 달성하는지 평가한다.

제안 방법

• 동일한 주파수 대역에서 셀룰러 사용자(CU)에서 셀룰러 및 D2D 데이터 스트림을 다중화하기 위해 슈퍼포지션 코드를 활용한다.
• D2D 수신기 및 CU에서 연속 간섭 제거(SIC)를 적용하여 목적 신호를 디코딩하면서 간섭을 억제한다.
• 통계적 채널 상태 정보를 바탕으로 레일라이 페이딩 채널 조건 하에서의 도달 가능한 전송률 영역과 공동 아웃리지 확률을 유도한다.
• 개별 전력 제약 조건 하에서 D2D 및 셀룰러 링크 간 최소 전송률을 극대화하기 위한 최적의 전력 할당 알고리즘을 제안한다.
• 복잡도를 감소시키면서 신뢰성을 향상시키기 위해 공동 아웃리지 확률의 상한선을 기반으로 한 준최적의 전력 할당 기법을 개발한다.
• 스토케스틱 기하학과 순서 통계를 활용하여 다중 페이딩 링크를 포함한 아웃리지 확률을 모델링하고 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 슈퍼포지션 코드와 SIC를 활용한 풀디럭스 릴레이 방식이 D2D-언더레이 셀룰러 네트워크에서 스펙트럼 효율성을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 동일 대역 간섭이 존재하는 풀디럭스 D2D 릴레이 시스템에서 도달 가능한 전송률 영역과 공동 아웃리지 확률은 무엇인가?
• RQ3 서비스 품질 요구사항을 충족시키는 조건 하에서 D2D 사용자와 셀룰러 사용자 간 최소 전송률을 극대화하기 위해 전력 할당을 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ4 제안된 풀디럭스 협업 방식은 허프디럭스 또는 비협업 D2D 시스템에 비해 어떤 성능 향상을 달성하는가?
• RQ5 아웃리지 확률 상한선을 기반으로 한 준최적의 전력 할당 기법은 낮은 계산 비용으로 어떻게 시스템 신뢰성을 향상시키는가?

주요 결과

• 제안된 최적의 전력 할당 기법은 전력 제약 조건 하에서 D2D 사용자와 셀룰러 사용자 간의 공정성을 확보하면서 최소로 달성 가능한 전송률을 극대화한다.
• 이론적 분석 결과, SIC를 적용한 풀디럭스 릴레이 방식은 허프디럭스 또는 비릴레이 방식에 비해 공동 아웃리지 확률이 크게 감소함을 입증하였다.
• 시뮬레이션 결과, 풀디럭스 협업 D2D 시스템은 허프디럭스 대비 더 높은 스펙트럼 효율성과 낮은 아웃리지 확률을 달성함을 확인하였다.
• 아웃리지 확률 상한선 기반 준최적의 전력 할당 기법은 복잡도를 감소시키면서도 거의 최적의 성능을 달성한다.
• 시스템 성능은 잔류 자기간섭에 대해 강건하며, 유도된 아웃리지 식은 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 검증되었다.
• 이론적 분석을 통해 모순에 기반하여 최적의 전력 할당이 D2D 전송률을 극대화하면서도 셀룰러 사용자의 최소 전송률 요구사항을 충족함을 입증하였다.