[논문 리뷰] Spectral and Energy Efficiency of Uplink D2D Underlaid Massive MIMO Cellular Networks

Anqi He, Lifeng Wang외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 13.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 30인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 상향 링크 디바이스 투 디바이스(D2D) 언더레이 매크로 MIMO 무선 통신 네트워크에서 셀룰러 및 D2D 링크 간의 동일채널 간섭을 완화하기 위해 공간적으로 동적 전력 제어 방식을 제안한다. 정확한 스펙트럼 효율(SE) 표현식을 유도하고 에너지 효율(EE)을 분석함으로써, 최적의 D2D 밀도가 영역 스펙트럼 효율을 최대화하며, 제안된 방식 하에서 셀룰러 사용자와 D2D 사용자 간의 에너지 효율 성능이 유사해질 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

One of key 5G scenarios is that device-to-device (D2D) and massive multiple-input multiple-output (MIMO) will be co-existed. However, interference in the uplink D2D underlaid massive MIMO cellular networks needs to be coordinated, due to the vast cellular and D2D transmissions. To this end, this paper introduces a spatially dynamic power control solution for mitigating the cellular-to-D2D and D2D-to-cellular interference. In particular, the proposed D2D power control policy is rather flexible including the special cases of no D2D links or using maximum transmit power. Under the considered power control, an analytical approach is developed to evaluate the spectral efficiency (SE) and energy efficiency (EE) in such networks. Thus, the exact expressions of SE for a cellular user or D2D transmitter are derived, which quantify the impacts of key system parameters such as massive MIMO antennas and D2D density. Moreover, the D2D scale properties are obtained, which provide the sufficient conditions for achieving the anticipated SE. Numerical results corroborate our analysis and show that the proposed power control solution can efficiently mitigate interference between the cellular and D2D tier. The results demonstrate that there exists the optimal D2D density for maximizing the area SE of D2D tier. In addition, the achievable EE of a cellular user can be comparable to that of a D2D user.

연구 동기 및 목표

• 높은 밀도의 셀룰러 및 D2D 전송으로 인한 상향 링크 D2D-언더레이 매크로 MIMO 셀룰러 네트워크에서의 동일채널 간섭 문제를 해결하기 위해.
• 셀룰러 간섭 및 D2D 간섭을 완화하기 위한 유연하고 공간적으로 동적 전력 제어 정책을 개발하기 위해.
• 제안된 전력 제어 하에서 이러한 하이브리드 네트워크의 스펙트럼 효율(SE)과 에너지 효율(EE)을 분석적으로 평가하기 위해.
• 목표 SE를 달성하기 위한 시스템 설계 통찰력, 특히 최적의 D2D 밀도 및 스케일링 성질을 도출하기 위해.

제안 방법

• D2D 사용자에 대한 공간적으로 동적 전력 제어 정책을 제안하며, D2D 링크 없음 또는 최대 전송 전력의 특수 케이스를 포함한다.
• 스토하스틱 기하학 및 점 프로세스 모델을 사용하여 셀룰러 및 D2D 사용자의 스펙트럼 효율(SE)에 대한 정확한 폐형 표현식을 유도한다.
• 간섭 전력의 라플라스 변환을 사용하여 신호 대 간섭 더하기 노이즈비(SINR)를 모델링하고 SE의 경계를 유도한다.
• 제약 조건이 없는 간섭 더하기 노이즈 항의 역수 기대값을 근사하기 위해 제닝스 부등식을 적용하여 D2D SE에 대한 날카운 경계를 유도한다.
• 매크로 MIMO 안테나 수 및 D2D 사용자 밀도와 같은 핵심 매개변수의 영향을 분석하여 D2D SE의 스케일링 성질을 도출한다.
• 포아송 점 프로세스 및 경로 손실 모델을 포함한 스토하스틱 기하학 도구를 사용하여 사용자 및 기지국의 공간 분포를 모델링한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 D2D 티어의 영역 스펙트럼 효율(SE)을 최대화하는 데 최적의 D2D 사용자 밀도는 무엇인가?
• RQ2 매크로 MIMO 안테나 수는 셀룰러 및 D2D 링크의 스펙트럼 효율과 에너지 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 제안된 전력 제어 방식은 셀룰러 사용자와 D2D 사용자 간에 유사한 에너지 효율(EE)을 달성할 수 있는가?
• RQ4 D2D-언더레이 매크로 MIMO 네트워크에서 목표 스펙트럼 효율을 달성하기 위한 충분한 조건는 무엇인가?
• RQ5 고밀도 네트워크 조건에서 제안된 동적 전력 제어는 셀룰러 간섭 및 D2D 간섭을 어떻게 완화하는가?

주요 결과

• D2D 티어의 영역 스펙트럼 효율(SE)을 최대화하는 데 최적의 D2D 사용자 밀도가 존재하며, 이는 오프로딩 이득과 간섭 간의 상충 관계를 반영한다.
• 제안된 전력 제어 방식 하에서 셀룰러 사용자의 가용 에너지 효율(EE)은 D2D 사용자와 유사해질 수 있다.
• 유도된 스펙트럼 효율 표현식은 정확하며, 매크로 MIMO 안테나 수 및 D2D 밀도와 같은 핵심 시스템 매개변수의 영향을 정량화한다.
• D2D SE의 스케일링 성질이 도출되었으며, 다양한 네트워크 조건에서 목표 SE를 달성하기 위한 충분한 조건를 제공한다.
• 수치 결과는 제안된 전력 제어가 셀룰러 및 D2D 티어 간의 간섭을 효과적으로 완화함을 확인한다.
• 스토하스틱 기하학의 활용은 간섭을 정확하게 모델링하여 분석적으로 다룰 수 있는 SE 및 EE 표현식을 가능하게 한다.