[论文解读] Power Control for D2D Underlay in Multi-cell Massive MIMO Networks

Amin Ghazanfari, Emil Björnson+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2018

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 13被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于多小区大规模MIMO网络中设备到设备（D2D）复用的功率控制与导频分配方案，采用蜂窝用户与D2D用户正交导频，并推导出容量下限的闭式表达式。所提出的最大-最小公平功率控制算法有效抑制了干扰，在保持蜂窝用户高性能的同时，显著提升了网络总频谱效率。

ABSTRACT

This paper proposes a new power control and pilot allocation scheme for device-to-device (D2D) communication underlaying a multi-cell massive MIMO system. In this scheme, the cellular users in each cell get orthogonal pilots which are reused with reuse factor one across cells, while the D2D pairs share another set of orthogonal pilots. We derive a closed-form capacity lower bound for the cellular users with different receive processing schemes. In addition, we derive a capacity lower bound for the D2D receivers and a closed-form approximation of it. Then we provide a power control algorithm that maximizes the minimum spectral efficiency (SE) of the users in the network. Finally, we provide a numerical evaluation where we compare our proposed power control algorithm with the maximum transmit power case and the case of conventional multi-cell massive MIMO without D2D communication. Based on the provided results, we conclude that our proposed scheme increases the sum spectral efficiency of multi-cell massive MIMO networks.

研究动机与目标

• 解决多小区大规模MIMO网络中D2D复用通信带来的干扰挑战。
• 通过设计蜂窝用户与D2D用户对之间正交导频的导频分配方案，实现D2D与蜂窝用户的高效共存。
• 为蜂窝用户与D2D用户推导闭式容量下限，以支持可实现的功率控制设计。
• 建立并求解一个联合优化蜂窝用户与D2D用户发射功率的最大-最小公平功率控制问题。
• 与传统大规模MIMO及最大发射功率方案相比，评估所提方案在总频谱效率与公平性方面的性能增益。

提出的方法

• 在每小区内为蜂窝用户分配正交导频（跨小区复用因子为1），并在整个网络范围内为D2D对分配独立的正交导频集。
• 利用最大比率（MR）与迫零（ZF）合并技术，推导蜂窝用户的闭式容量下限。
• 推导包含瑞利衰落信道小尺度衰落统计期望的D2D接收机容量下限，并提供闭式近似以支持实际优化。
• 建立一个最大-最小公平功率控制问题，目标是最大化所有用户中最小的频谱效率，同时满足个体功率约束。
• 采用基于分段搜索的算法，在容量下限上求解非凸优化问题。
• 通过9小区网络的数值仿真，结合真实路径损耗模型与真实功率约束，验证所提方案的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计正交导频分配方案，以在同频复用场景下支持多小区大规模MIMO网络中的蜂窝用户与D2D用户共存？
• RQ2 在MR与ZF处理下，蜂窝用户与D2D用户的闭式容量下限是什么？这些下限如何用于指导功率控制设计？
• RQ3 能否设计出一种可实现的功率控制算法，以确保最大-最小公平性，同时最小化对蜂窝用户的干扰？
• RQ4 D2D复用对大规模MIMO网络中总频谱效率与蜂窝用户公平性有何影响？
• RQ5 与最大发射功率方案及无D2D的常规大规模MIMO相比，所提功率控制方案在频谱效率与公平性方面表现如何？

主要发现

• 所提功率控制算法使蜂窝用户的频谱效率几乎与无D2D复用情况相同，证明了其有效的干扰抑制能力。
• 与最大功率传输相比，最大-最小公平功率控制显著提升了最弱10%用户的数据速率，实现了公平性，且未牺牲整体性能。
• 由于激活用户数增加，D2D复用使网络总频谱效率提升，优于无D2D的常规大规模MIMO系统。
• 数值结果表明，即使D2D对随机分布且未关联到特定小区，所提方案仍能保持蜂窝用户与D2D用户均较高的频谱效率。
• D2D容量下限的闭式近似使得功率控制算法可实际部署，否则因需处理衰落期望而难以求解。
• 采用ZF处理时，相比MR处理，蜂窝用户频谱效率增益更高，尤其在高负载场景下更为显著。