[논문 리뷰] Power Control for D2D Underlaid Cellular Networks: Modeling, Algorithms and Analysis

Namyoon Lee, Xingqin Lin외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 27.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 23인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 장치 간(D2D) 하위 셀룰러 네트워크를 위한 스토하스틱 기하학 기반 모델을 제안하고, 크로스티어 간섭을 관리하기 위해 중심화된 및 분산형 전력 제어 알고리즘을 개발한다. 셀룰러 및 D2D 커버리지 확률과 합산 속도에 대한 분석적 표현을 유도하여, 낮은 D2D 밀도에서 D2D 링크에서 셀룰러 링크로의 크로스티어 간섭이 주요 성능 저하 요인임을 보여주며, 최적의 온오프 전력 제어가 최소한의 CSI 피드백으로 D2D 합산 속도를 최대화함을 밝힌다.

ABSTRACT

This paper considers a device-to-device (D2D) underlaid cellular network where an uplink cellular user communicates with the base station while multiple direct D2D links share the uplink spectrum. This paper proposes a random network model based on stochastic geometry and develops centralized and distributed power control algorithms. The goal of the proposed power control algorithms is two-fold: ensure the cellular users have sufficient coverage probability by limiting the interference created by underlaid D2D users, while also attempting to support as many D2D links as possible. For the distributed power control method, expressions for the coverage probabilities of cellular and D2D links are derived and a lower bound on the sum rate of the D2D links is provided. The analysis reveals the impact of key system parameters on the network performance. For example, the bottleneck of D2D underlaid cellular networks is the cross-tier interference between D2D links and the cellular user, not the D2D intra-tier interference. Numerical results show the gains of the proposed power control algorithms and accuracy of the analysis.

연구 동기 및 목표

• D2D 사용자 위치를 공간 포아송 점 프로세스(PPP)로 모델링하여 스토하스틱 기하학 기반 간섭 분석을 가능하게 하기 위해 D2D 하위 셀룰러 네트워크를 모델링한다.
• D2D 전송으로 인한 셀룰러 사용자에 대한 크로스티어 간섭을 관리하여 D2D 및 셀룰러 링크 간 공존 문제를 해결한다.
• 셀룰러 사용자 커버리지 확률을 보장하면서 D2D 링크 스케줄링 수를 최대화하는 중심화된 전력 제어 알고리즘을 설계한다.
• 국부적 CSI만을 사용하여 D2D 합산 속도를 최대화하는 분산형 온오프 전력 제어 전략을 제안한다. 이는 피드백 오버헤드를 감소시킨다.
• D2D 밀도 및 경로 손실 지수의 함수로 셀룰러 및 D2D 링크 커버리지 확률, D2D 합산 속도에 대한 닫힌 형태의 표현식을 유도한다.

제안 방법

• 스토하스틱 기하학을 통해 간섭 모델링이 가능하도록 D2D 사용자 위치를 공간 포아송 점 프로세스(PPP)로 모델링한다.
• D2D 및 셀룰러 링크의 SIR 제약 조건을 만족시키면서 활성 D2D 링크 수를 최대화하기 위한 볼록 최적화 문제를 해결하는 중심화된 전력 제어 알고리즘을 제안한다.
• 직접 링크의 국부적 채널 상태 정보(CSI)에 기반하여 가장 강한 D2D 링크만을 선택하는 분산형 온오프 전력 제어 전략을 개발한다.
• 간섭 필드의 라플라스 변환과 슬리브니아크의 정리를 사용하여 업링크 셀룰러 링크의 커버리지 확률을 유도한다.
• 제안된 전력 제어 하에서 모든 잠재적 D2D 링크에 대해 성공적 전송 확률을 통합하여 D2D 합산 속도를 계산한다.
• 셀룰러 커버리지 확률의 하한을 도출하기 위해 제닝스 부등식을 적용하여, 전력 제어 하에서 해석 가능한 성능 분석을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하위 네트워크에서 D2D 링크 밀도와 경로 손실 지수는 셀룰러 및 D2D 링크의 커버리지 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 낮은 D2D 밀도에서 간섭의 유형 중 인터-D2D 간섭과 크로스티어 간섭 중 어느 것이 네트워크 성능을 지배하는가?
• RQ3 분산형 온오프 전력 제어 전략은 최소한의 CSI 피드백으로 근사 최적의 합산 속도를 달성할 수 있는가?
• RQ4 중앙집중형 전력 제어는 D2D 링크 스케줄링과 셀룰러 링크 신뢰성 간에 어떻게 균형을 이룹니까?
• RQ5 D2D 링크의 무작위 공간 모델 하에서 커버리지 확률과 합산 속도에 대한 분석적 표현식을 어떻게 도출할 수 있는가?

주요 결과

• 낮은 D2D 링크 밀도에서 D2D 링크에서 셀룰러 사용자로의 크로스티어 간섭이 인트라-D2D 간섭보다 주요 성능 저하 요인임을 확인하였다.
• 제안된 중심화된 전력 제어 알고리즘이 셀룰러 사용자 대상 커버리지 확률 목표를 유지하면서 다수의 D2D 링크가 동시에 전송할 수 있도록 한다.
• 국부적 CSI에 기반하여 가장 강한 링크만을 선택하는 분산형 온오프 전력 제어 전략이 국소적 CSI만으로도 근사 최적 성능을 달성하며 D2D 링크의 합산 속도를 최대화함을 보였다.
• 셀룰러 및 D2D 커버리지 확률, D2D 합산 속도에 대한 분석적 표현식을 도출하고 시뮬레이션을 통해 검증하여 정확도를 확인하였다.
• 제닝스 부등식을 사용하여 도출한 셀룰러 커버리지 확률의 하한은 타이트하며 실용적인 전력 제어 제약 조건 하에서 유용한 성능 지표를 제공한다.