[논문 리뷰] Radio Resource Allocation for Device-to-Device Underlay Communication Using Hypergraph Theory

Hongliang Zhang, Lingyang Song외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 12.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 16인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 다수의 D2D 쌍과 기지국 사용자들을 동시에 고려하여 누적 간섭을 관리하기 위해 초그래프 기반의 무선 자원 할당 방식을 제안한다. 간섭을 초그래프의 초간선으로 모델링하고 그레디티브 초그래프 색칠 알고리즘을 사용함으로써, 기존의 그래프 기반 접근 방식보다 세포 용량이 33% 높아지며, 특히 D2D 쌍의 밀도가 높을 경우에 유리하다.

ABSTRACT

Device-to-Device (D2D) communication has been recognized as a promising technique to offload the traffic for the evolved Node B (eNB). However, the D2D transmission as an underlay causes severe interference to both the cellular and other D2D links, which imposes a great technical challenge to radio resource allocation. Conventional graph based resource allocation methods typically consider the interference between two user equipments (UEs), but they cannot model the interference from multiple UEs to completely characterize the interference. In this paper, we study channel allocation using hypergraph theory to coordinate the interference between D2D pairs and cellular UEs, where an arbitrary number of D2D pairs are allowed to share the uplink channels with the cellular UEs. Hypergraph coloring is used to model the cumulative interference from multiple D2D pairs, and thus, eliminate the mutual interference. Simulation results show that the system capacity is significantly improved using the proposed hypergraph method in comparison to the conventional graph based one.

연구 동기 및 목표

• 다수의 D2D 쌍이 기지국 사용자들과 스펙트럼을 공유하는 D2D 언더레이 통신 환경에서 누적 간섭 문제를 해결하기 위해.
• 다중 간섭원을 동시에 반영할 수 없는 전통적인 그래프 기반 모델의 한계를 극복하기 위해.
• 자원 할당 문제를 초그래프 색칠 문제로 수식화하여 시스템 용량을 최대화하기 위해.
• 실제 구현에 적합한 다항식 시간 복잡도 O((M+N)^3)를 가지는 저복잡도 그레디티브 알고리즘을 설계하기 위해.

제안 방법

• D2D 및 기지국 사용자를 초그래프의 정점으로 모델링하며, 초간선은 동일한 수신기를 영향을 주는 다수의 간섭 발신기를 나타낸다.
• 누적 간섭 임계값에 기반하여 초간선을 정의하며, 이는 전체 간섭이 사전 정의된 수준을 초과하는 모든 발신기를 포함한다.
• 채널 할당 문제를 초그래프 색칠 문제로 수식화하여, 동일한 초간선 내의 두 정점이 동일한 채널을 할당받지 않도록 보장한다.
• 간섭을 최소화하면서 동시에 전송 수를 최대화할 수 있도록 채널을 할당하는 그레디티브 초그래프 색칠 알고리즘을 제안한다.
• 초간선 형성에 영향을 주는 선택 임계값 η를 도입하여 간섭 완화와 시스템 용량 간의 균형을 조절한다.
• 초그래프 모델을 채널 할당 전략과 통합하여 간섭 제약 조건 하에 다수의 D2D 쌍과 기지국 사용자가 업링크 채널을 공유할 수 있도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초그래프 이론은 다수의 D2D 쌍과 기지국 사용자가 존재하는 언더레이 D2D 네트워크에서 누적 간섭을 효과적으로 모델링할 수 있는가?
• RQ2 전통적인 그래프 기반 방법과 비교할 때 초그래프 기반 자원 할당은 시스템 용량과 간섭 관리 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ3 D2D 쌍의 수와 이용 가능한 채널 수를 변화시켰을 때 초그래프 기반 방법의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 초간선 크기(Q)와 간섭 임계값(η)의 선택이 시스템 용량과 계산 복잡도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 그레디티브 알고리즘이 낮은 계산 오버헤드로 near-optimal 성능을 얼마나 잘 달성할 수 있는가?

주요 결과

• N=50개의 D2D 쌍, M=20개의 기지국 사용자, K=30개의 채널 조건에서 초그래프 기반 방법은 그래프 기반 방법 대비 33% 높은 세포 용량을 달성한다.
• K=20일 경우, D2D 쌍의 Throughput은 초그래프 방법을 사용할 때 그래프 기반 방법 대비 3.0 bit/s/Hz 높다.
• K=20일 경우 기지국 사용자 Throughput는 그래프 기반 방법이 0.8 bit/s/Hz 높지만, 초그래프 방법은 더 많은 사용자를 지원할 수 있어 간섭 조율 측면에서 유리하다.
• K=20일 경우, 초그래프 방법은 D2D 쌍의 아웃리지 확률을 그래프 기반 방법 대비 40% 감소시켜 더 나은 사용자 스케줄링 성능을 보인다.
• Q를 1에서 3으로 증가시키면 K=20일 때 세포 용량이 약 3 bit/s/Hz 향상되지만, 복잡도 증가가 수익을 상회하여 Q=2가 최적임을 입증한다.
• D2D 쌍의 밀도가 일정 수준 이상에 도달하면 시스템 용량이 포화 상태에 도달함을 보여주며, 스펙트럼 재사용과 간섭 간의 트레이드오프가 존재함을 시사한다.