[논문 리뷰] Power Control for D2D Underlay in Multi-cell Massive MIMO Networks

Amin Ghazanfari, Emil Björnson외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 02.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 13인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 다중셀 매크로 MIMO 네트워크에서 장치 간(D2D) 언더레이 통신을 위한 전력 제어 및 파ilot 배정 방안을 제안한다. 셀룰러 사용자와 D2D 사용자 간에 직교 파일럿을 사용하고, 닫힌형 용량 하한을 유도한다. 제안된 최대-최소 공정성 전력 제어 알고리즘은 간섭을 효과적으로 완화하여, 셀룰러 사용자 성능을 유지하면서도 네트워크의 합산 스펙트럼 효율성을 높인다.

ABSTRACT

This paper proposes a new power control and pilot allocation scheme for device-to-device (D2D) communication underlaying a multi-cell massive MIMO system. In this scheme, the cellular users in each cell get orthogonal pilots which are reused with reuse factor one across cells, while the D2D pairs share another set of orthogonal pilots. We derive a closed-form capacity lower bound for the cellular users with different receive processing schemes. In addition, we derive a capacity lower bound for the D2D receivers and a closed-form approximation of it. Then we provide a power control algorithm that maximizes the minimum spectral efficiency (SE) of the users in the network. Finally, we provide a numerical evaluation where we compare our proposed power control algorithm with the maximum transmit power case and the case of conventional multi-cell massive MIMO without D2D communication. Based on the provided results, we conclude that our proposed scheme increases the sum spectral efficiency of multi-cell massive MIMO networks.

연구 동기 및 목표

• 다중셀 매크로 MIMO 네트워크에서 D2D 언더레이 통신으로 인한 간섭 문제를 해결한다.
• 셀룰러 및 D2D 사용자 간의 효율적 공존을 위해 셀룰러 및 D2D 쌍에 대해 직교 파일럿을 사용하는 파일럿 배정 방안을 설계한다.
• 셀룰러 및 D2D 사용자의 닫힌형 용량 하한을 유도하여 전력 제어 설계의 해석 가능성을 확보한다.
• 셀룰러 및 D2D 사용자의 전송 전력을 동시에 최적화하는 최대-최소 공정성 전력 제어 문제를 수립하고 해결한다.
• 기존의 매크로 MIMO 및 최대 전력 전송 대비 제안된 방식의 스펙트럼 효율성 및 공정성 향상을 평가한다.

제안 방법

• 각 셀 내에서 셀룰러 사용자 간에 직교 파일럿을 할당하고, 셀 간 재사용 계수를 1로 설정하며, 전체 네트워크에 걸쳐 D2D 쌍에 별도의 직교 파일럿 세트를 할당한다.
• 최대 비례(MR) 및 제로 포싱(ZF) 수신 기법을 사용하여 셀룰러 사용자의 닫힌형 용량 하한을 유도한다.
• 소규모 fading에 대한 기대값을 포함하는 D2D 수신기의 용량 하한을 유도하고, 실용적 최적화를 가능하게 하기 위해 닫힌형 근사를 제공한다.
• 모든 사용자의 최소 스펙트럼 효율성을 최대화하는 조건 하에 개별 전력 제약 조건을 충족하는 최대-최소 공정성 전력 제어 문제를 수립한다.
• 스펙트럼 효율 하한에 대해 이분법 기반 선형 탐색 알고리즘을 사용하여 비볼록 최적화 문제를 해결한다.
• 실제 경로 손실 모델과 실질적인 전력 제약 조건을 반영한 9셀 네트워크를 대상으로 수치적 평가를 수행하여 제안된 방식의 성능를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공통 대역 사용 시 재사용이 가능한 다중셀 매크로 MIMO 네트워크에서 셀룰러 및 D2D 사용자를 동시에 지원하기 위해 직교 파일럿 배정을 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 MR 및 ZF 처리 조건 하에서 셀룰러 및 D2D 사용자의 닫힌형 용량 하한은 무엇이며, 이를 전력 제어 설계에 어떻게 활용할 수 있는가?
• RQ3 간섭을 최소화하면서도 최대-최소 공정성을 보장하는 해석 가능한 전력 제어 알고리즘을 설계할 수 있는가?
• RQ4 매크로 MIMO 네트워크에서 D2D 언더레이가 셀룰러 사용자의 합산 스펙트럼 효율성 및 공정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 전력 제어 방식은 최대 전송 전력 및 D2D 없이 기존 매크로 MIMO와 비교해 스펙트럼 효율성 및 공정성 측면에서 어떻게 성능을 높이는가?

주요 결과

• 제안된 전력 제어 알고리즘이 D2D 언더레이 없이도 셀룰러 사용자의 스펙트럼 효율성을 거의 동일하게 유지함으로써 간섭 완화의 효과를 입증한다.
• 최대 전력 전송 대비 최대-최소 공정성 전력 제어가 가장 약한 10% 사용자의 스펙트럼 효율성을 향상시켜 전체 성능 저하 없이 공정성을 확보한다.
• D2D 언더레이로 활성 사용자 수가 증가함에 따라 네트워크의 합산 스펙트럼 효율성이 증가하여, D2D 없이 기존 매크로 MIMO 대비 성능 향상을 보인다.
• 수치적 결과는 D2D 쌍이 무작위로 분포되어 있고 셀에 속하지 않더라도 제안된 방식이 셀룰러 및 D2D 사용자 모두 높은 스펙트럼 효율성을 유지함을 보여준다.
• D2D 용량 하한의 닫힌형 근사는, 페이딩 기대값으로 인해 기존에는 해석이 어려웠던 전력 제어 알고리즘의 실용적 구현을 가능하게 한다.
• ZF 처리를 사용할 경우, 특히 고부하 환경에서 MR 처리 대비 셀룰러 사용자에 대해 더 높은 스펙트럼 효율성 향상을 달성한다.