[논문 리뷰] Uplink Performance Analysis in D2D-Enabled mmWave Cellular Networks with Clustered Users

Esma Turgut, M. Cenk Gursoy|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 26.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 21인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 실세계의 군집화 행동을 반영하기 위해 장치 간(D2D) 통신으로 향상된 밀리미터파(mmWave) 셀룰러 네트워크에서 업링크 성능을 평가하기 위해 확률적 기하학 기반의 분석 프레임워크를 제안한다. D2D 사용자를 포아송 클러스터 프로세스(PCP)로 모델링하며, 셀룰러 및 D2D 링크에 대한 SINR 아웃리지 확률을 유도하고, 방향성 빔포밍, 시야(LOS)/비시야(NLOS) path loss 모델, 빔 정렬 오차를 포함하며, 복수 공유 및 오버랩 스펙트럼 공유에 대해 영역 스펙트럼 효율성(ASE)을 계산하고 오버랩 공유에 대한 최적의 스펙트럼 분할을 규명한다.

ABSTRACT

In this paper, an analytical framework is provided to analyze the uplink performance of device-to-device (D2D)-enabled millimeter wave (mmWave) cellular networks with clustered D2D user equipments (UEs). Locations of cellular UEs are modeled as a Poison Point Process (PPP), while locations of potential D2D UEs are modeled as a Poisson Cluster Process (PCP). Signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) outage probabilities are derived for both cellular and D2D links using tools from stochastic geometry. The distinguishing features of mmWave communications such as directional beamforming and having different path loss laws for line-of-sight (LOS) and non-line-of-sight (NLOS) links are incorporated into the outage analysis by employing a flexible mode selection scheme. Also, the effect of beamforming alignment errors on the outage probability is investigated to get insight on the performance in practical scenarios. Moreover, area spectral efficiency (ASE) of the entire network is determined for both underlay and overlay types of sharing. Optimal spectrum partition factor is determined for overlay sharing by considering the optimal weighted proportional fair spectrum partition.

연구 동기 및 목표

• D2D 사용자가 균일하게 분포하지 않고 공간 군집을 이룰 때 mmWave 셀룰러 네트워크의 업링크 성능을 모델링하고 분석하는 것.
• 방향성 빔포밍, LOS/NLOS path loss, 빔 정렬 오차를 포함한 실제 mmWave 전파 특성을 통합하는 것.
• 복수 공유 및 오버랩 스펙트럼 공유 모드를 평가하고 오버랩 공유에서 가중 비례 정당성(Weighted Proportional Fairness)을 극대화하기 위한 최적의 스펙트럼 분할을 규명하는 것.
• 확률적 기하학 도구를 사용하여 SINR 아웃리지 확률 및 영역 스펙트럼 효율성(ASE)에 대한 닫힌 형식의 표현식을 도출하는 것.

제안 방법

• 셀룰러 사용자 장비(UE)를 포아송 점 프로세스(PPP)로 모델링하고, 잠재적 D2D UE를 포아송 클러스터 프로세스(PCP)로 모델링하며, 특히 토머스 클러스터 프로세스를 사용한다.
• LOS 및 NLOS 전파 조건을 고려한 융통성 있는 모드 선택 기반의 스킴을 적용하며, 각각 다른 path loss 지수를 가진다.
• PPP의 모멘트 생성 함수 및 확률 생성 함수 기반( PGFL )을 통해 셀룰러 및 D2D 링크의 간섭 전력에 대한 라플라스 변환을 사용한다.
• 다이내믹 페이딩을 지수 분포 랜덤 변수로 모델링하고 간섭 전력을 조정함으로써 빔포밍 이득과 빔 정렬 오차를 통합한다.
• 낮은 간섭 밀도 조건 하에서 극좌표 변환과 포아송 근사법을 사용해 내부 클러스터 및 외부 클러스터 간섭의 라플라스 변환을 유도한다.
• 거리 및 path loss 모델 조건부로 전체 아웃리지 확률을 계산하며, 거리 분포 및 빔포밍 이득에 대해 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사용자 군집화는 mmWave D2D 기반 셀룰러 네트워크에서 업링크 아웃리지 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 빔포밍 이득과 빔 정렬 오차는 mmWave D2D 네트워크에서 SINR 아웃리지 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 LOS 및 NLOS 전파 조건은 D2D 및 셀룰러 업링크 링크 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 오버랩 D2D 공유에서 가중 비례 정당성을 극대화하기 위해 최적의 스펙트럼 분할 요소는 무엇인가?
• RQ5 군집화된 mmWave 네트워크에서 복수 공유 및 오버랩 공유 모드에 대해 영역 스펙트럼 효율성(ASE)은 어떻게 스케일링되는가?

주요 결과

• 셀룰러 UE의 SINR 아웃리지 확률은 빔포밍 이득과 path loss 모델에 의해 결정되는 가중치의 가중합으로 유도된다.
• D2D 링크의 아웃리지 확률은 간섭을 내부 클러스터 및 외부 클러스터 성분으로 분해하여 분석하며, 둘 다에 대해 닫힌 형식의 라플라스 변환을 도출하였다.
• 빔 정렬 오차는 지수 페이딩을 통해 모델링되며, 특히 NLOS 조건에서 아웃리지 확률을 증가시키는 것으로 나타났다.
• 복수 공유 및 오버랩 공유 모두에 대해 영역 스펙트럼 효율성(ASE)을 도출하였으며, 최적의 스펙트럼 분할 조건 하에서 오버랩 모드가 더 높은 ASE를 달성하였다.
• 오버랩 공유의 최적 스펙트럼 분할 요소는 가중 비례 정당성 할당을 극대화하기 위해 해결함으로써 도출되었으며, 이는 시스템의 정당성과 스펙트럼 효율성을 극대화한다.
• 분석 결과 군집화로 인해 간섭 상관관계가 감소하고, 특히 고밀도 환경에서 균일하게 분포한 D2D UE보다 성능 향상이 이루어지는 것으로 나타났다.