[論文レビュー] An Energy Efficient D2D Model with Guaranteed Quality of Service for Cloud Radio Access Networks

Isuru Ranawaka, Kasun T. Hemachandra+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2019

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 19被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、クラウド無線アクセスネットワーク（CRAN）におけるハイブリッドデバイスツーデバイス（D2D）通信モデルを提案する。このモデルは、D2Dリンクが同時にCRANの上位レイヤーと非許可ISM帯域の両方で動作可能であることを可能にする。リンク距離に基づくスペクトル選択方式と解析的パワー最小化を用いることで、モノリシックD2Dネットワークと比較してほぼ50％のエネルギー節約を達成するとともに、伝送遅延違反確率制約によってサービス品質（QoS）を保証する。

ABSTRACT

This paper proposes a spectrum selection scheme and a transmit power minimization scheme for a device-to-device (D2D) network cross-laid with a cloud radio access network (CRAN). The D2D communications are allowed as an overlay to the CRAN as well as in the unlicensed industrial, scientific and medical radio (ISM) band. A link distance based scheme is proposed and closed-form approximations are derived for the link distance thresholds to select the operating band of the D2D users. Furthermore, analytical expressions are derived to calculate the minimum required transmit power to achieve a guaranteed level of quality of service in each operating band. The results demonstrate that the proposed scheme achieves nearly 50% power saving compared to a monolithic (purely overlay or purely ISM band) D2D network.

研究の動機と目的

• デバイスのエネルギー制限と干渉のため、D2Dネットワークにおけるエネルギー効率とQoSの制限を解消すること。
• キャッシュとスペクトル共有を活用したD2Dオフロードにより、CRANにおけるバックホールおよびフロントホールトラフィックを低減すること。
• CRANの上位レイヤーとISM帯域の両方のスペクトルを活用するハイブリッドD2Dモデルを設計し、エネルギー効率とQoSを向上させること。
• スペクトル選択のためのしきい値距離と、保証されたQoSを満たすために必要な最小送信パワーを解析的に導出すること。
• 平均消費電力とユーザー密度の観点から、モノリシックD2Dネットワークと比較してハイブリッドモデルの性能を評価すること。

提案手法

• 送信デバイスからの距離に応じてD2Dユーザーを上位レイヤーCRAN帯域またはISM帯域に割り当てる、リンク距離に基づくスペクトル選択方式を提案する。
• ISM帯域（アウトバンド）利用が可能なユーザーと上位レイヤー帯域利用ユーザーを分離するためのしきい値距離の閉形式近似式を導出する。
• 各運用帯域における目標遅延違反確率（DVP）を満たすために必要な最小送信パワーを計算するための解析的式を構築する。
• 空間的に分布するユーザーをポアソン点過程としてモデル化し、Rayleigh fadingとパスロス、無視できるノイズを仮定するキャッシュ対応E-CRANをシステムモデルとして採用する。
• アウトバンドおよび上位レイヤーD2Dユーザー集合が均一なポアソン点過程に従うという仮定の下で、カバレッジ確率とD2Dユーザー密度を理論的に分析し、シミュレーションで検証する。
• 精度と計算コストのバランスをとるために、性能比較に反復的最適化手法を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイブリッドCRAN-D2Dネットワークにおいて、QoSを維持しつつD2Dオフロードを最大化する最適なしきい値距離は何か？
• RQ2 上位レイヤー帯域とISM帯域の間で、特定のQoSレベルを満たすために必要な最小送信パワーはどのように変化するか？
• RQ3 ISM帯域における外部ユーザー密度がD2Dネットワークの性能とスペクトル割り当てに与える影響は何か？
• RQ4 モノリシックD2Dネットワーク（上位レイヤーまたはISM帯域でのみ動作）と比較して、ハイブリッドD2Dモデルのエネルギー効率はどのように向上するか？
• RQ5 解析的近似式は、ハイブリッド展開シナリオにおけるD2Dユーザー密度およびカバレッジ確率をどの程度正確に予測できるか？

主な発見

• 提案されたハイブリッドD2Dモデルは、上位レイヤーまたはISM帯域でのみ動作するモノリシックD2Dネットワークと比較して、平均送信パワーをほぼ50％削減する。
• 理論的カバレッジ確率はシミュレーション結果とよく一致しており、アウトバンドおよび上位レイヤーD2Dユーザー集合が均一なポアソン点過程に従うという仮定の妥当性が裏付けられる。
• 外部ユーザー密度（λext）が増加するにつれて、アウトバンドD2Dリンクのしきい値距離（d⋆ou）はQoSを維持するために減少するが、上位レイヤーのしきい値（d⋆ol）も遅い速度で減少する。
• ハイブリッドモデルでは、モノリシック展開と比較してD2Dユーザー密度が4～5倍に増加し、大幅なオフロード機会の向上が示される。
• 反復的最適化手法は、解析的近似式よりも低い電力消費を達成するが、計算複雑度が高くなるという代償を伴う。
• 高密度のDP環境では、干渉制約によりD2Dリンク密度が飽和し、ネットワーク密度が上昇するにつれて、最終的にはアウトバンドリンクが上位レイヤーのリンクを上回るようになる。