[논문 리뷰] Utility-maximization Resource Allocation for Device-to-Device Communication Underlaying Cellular Networks

Jialiang Zhang, Gang Wu외 3명|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 01.

Advanced MIMO Systems Optimization인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 강한 NP-난이도를 가진 이진 최적화 문제를 유도형 문제로 변환하기 위해 볼록 relaxation과 원본-이중 분해를 사용하여 셀룰러 네트워크에 피어 투 피어(D2D) 통신을 통합한 자원 할당 기법을 제안한다. 분산 알고리즘은 낮은 복잡도로 근사 최적 성능를 달성하며, 특히 D2D 쌍 밀도가 증가함에 따라 D2D 사용자 유용도를 크게 향상시키면서도 셀룰러 사용자의 QoS를 유지한다.

ABSTRACT

Device-to-device(D2D) underlaying communication brings great benefits to the cellular networks from the improvement of coverage and spectral efficiency at the expense of complicated transceiver design. With frequency spectrum sharing mode, the D2D user generates interference to the existing cellular networks either in downlink or uplink. Thus the resource allocation for D2D pairs should be designed properly in order to reduce possible interference, in particular for uplink. In this paper, we introduce a novel bandwidth allocation scheme to maximize the utilities of both D2D users and cellular users. Since the allocation problem is strongly NP-hard, we apply a relaxation to the association indicators. We propose a low-complexity distributed algorithm and prove the convergence in a static environment. The numerical result shows that the proposed scheme can significant improve the performance in terms of utilities.The performance of D2D communications depends on D2D user locations, the number of D2D users and QoS(Quality of Service) parameters.

연구 동기 및 목표

• D2D 사용자가 셀룰러 사용자와 함께 업링크 스펙트럼을 공유하는 D2D-언더레이 셀룰러 네트워크에서 간섭 문제를 해결하기 위해.
• 셀룰러 사용자의 품질보증(QoS) 제약 조건 하에서 D2D 사용자들의 합산 유용도를 극대화하기 위해.
• 이진 연결 지표의 relaxation을 통해 강한 NP-난이도를 가진 이진 최적화 문제를 볼록 최적화 문제로 변환하기 위해.
• 실제 구현을 위해 원본-이중 분해를 사용한 저복잡도 분산 알고리즘 설계하기 위해.
• 다양한 네트워크 조건에서 D2D 및 셀룰러 사용자 유용도의 성능 트레이드오프 평가하기 위해.

제안 방법

• D2D 유용도를 극대화하면서 간섭으로 인한 셀룰러 사용자 유용도 저하를 제약 조건으로 하는 이진 조합 최적화 문제를 수립한다.
• 이진 연결 지표를 연속 변수로 relaxation하여 문제를 볼록 최적화 문제로 변환한다.
• 정적 환경에서 수렴 보장을 갖는 분산 자원 할당 알고리즘을 도출하기 위해 원본-이중 분해를 적용한다.
• 근사 최적 해로 수렴하기 위해 이중 상승법에 동적 스텝 사이즈 조정을 적용한다.
• 셀룰러 및 D2D 링크의 업링크 스펙트럼 효율을 모델링하기 위해 샤논 용량과 로그노멀 샤도잉 및 경로 손실 모델을 사용한다.
• 셀룰러 사용자 자원 할당을 위해 워터필링 방법을 구현하고, 유용도 분포의 CDF를 통해 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 업링크 스펙트럼 공유 환경에서 D2D 자원 할당을 어떻게 최적화하여 D2D 사용자 유용도를 극대화하면서도 셀룰러 사용자 QoS를 유지할 수 있는가?
• RQ2 실제 제약 조건 하에서 중심집중형 최적 해와 분산 구현 간의 성능 격차는 어떠한가?
• RQ3 D2D 쌍의 수와 전송 범위가 시스템 유용도와 간섭 수준에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 한 셀룰러 사용자 자원만 공유하는 제약 조건이 D2D 유용도에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ5 이중 분해 방법에서의 동적 스텝 사이즈 조정이 수렴성과 해 품질에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• D2D 쌍이 한 셀룰러 사용자 자원만 공유할 경우, 제안된 분산 알고리즘이 중심집중형 CVX 해와 비교해 약 10%의 유용도 손실로 근사 최적 성능를 달성한다.
• D2D 쌍의 수가 증가함에 따라 중심집중형과 분산 기법 간의 성능 격차가 감소하여 확장성 잠재력을 보여준다.
• 모든 기법에서 셀룰러 사용자 유용도의 CDF가 거의 동일하여 간섭 영향이 최소임을 확인하고, 언더레이 접근의 타당성을 입증한다.
• D2D 쌍 간 최대 전송 거리가 80미터를 초과하면 D2D 사용자 유용도가 급격히 저하되며, 이는 범위와 스펙트럼 효율성 간의 상충 관계를 보여준다.
• 유계 부분구배와 동적 스텝 사이즈 조정 덕분에 알고리즘이 근사 최적 해로 수렴하여 실시간 구현에 실용적인 수렴성을 확보한다.
• D2D 전송 범위가 160미터를 초과하면 시스템 합산 유용도가 급격히 감소하여 효과적인 D2D 언더레이 운영에 실질적인 상한선이 있음을 시사한다.