[논문 리뷰] Resource Allocation for Device-to-Device Communications Underlaying Heterogeneous Cellular Networks Using Coalitional Games

Yali Chen, Bo Ai외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 06.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 24인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 mmWave 및 6GHz 이하 밴드를 통합한 이종 림계 셀룰러 네트워크(HCNs)에서 장치 간(D2D) 통신을 위한 코али션 게임 기반 자원 할당 프레임워크를 제안한다. D2D 쌍과 셀룰러 사용자를 코어리션을 형성하는 플레이어로 모델링하여 시스템 합성 속도를 최대화함으로써, 나이시 안정 균형으로 빠른 수렴을 이룩하며, 최적에 가까운 성능을 달성한다. 고차단 조건 하에서 기존 방법 대비 최대 332%의 합성 속도 향상을 기록한다.

ABSTRACT

Heterogeneous cellular networks (HCNs) with millimeter wave (mmWave) communications included are emerging as a promising candidate for the fifth generation mobile network. With highly directional antenna arrays, mmWave links are able to provide several-Gbps transmission rate. However, mmWave links are easily blocked without line of sight. On the other hand, D2D communications have been proposed to support many content based applications, and need to share resources with users in HCNs to improve spectral reuse and enhance system capacity. Consequently, an efficient resource allocation scheme for D2D pairs among both mmWave and the cellular carrier band is needed. In this paper, we first formulate the problem of the resource allocation among mmWave and the cellular band for multiple D2D pairs from the view point of game theory. Then, with the characteristics of cellular and mmWave communications considered, we propose a coalition formation game to maximize the system sum rate in statistical average sense. We also theoretically prove that our proposed game converges to a Nash-stable equilibrium and further reaches the near-optimal solution with fast convergence rate. Through extensive simulations under various system parameters, we demonstrate the superior performance of our scheme in terms of the system sum rate compared with several other practical schemes.

연구 동기 및 목표

• mmWave 및 6GHz 이하 밴드를 통합한 이종 림계 셀룰러 네트워크(HCNs)에서 D2D 쌍과 셀룰러 사용자 간의 효율적 스펙트럼 공유 문제를 해결한다.
• mmWave 및 셀룰러 밴드에서 공유된 무선 자원으로 인한 간섭 제약 조건 하에서 시스템 합성 속도를 최대화한다.
• 낮은 계산 복잡도로 근사 최적 성능을 달성하는 분산형이고 확장 가능한 자원 할당 메커니즘을 설계한다.
• mmWave 링크에서의 실질적인 전파 손상, 예를 들어 경로 손실, 샤도잉 및 차단을 고려한다.
• 게임 이론적 균형 분석을 통해 안정적인 네트워크 분할로 수렴함을 보장한다.

제안 방법

• 간섭, 경로 손실 및 차단을 고려한 비선형 정수 프로그래밍 문제로 업링크 자원 할당 문제를 수립한다.
• D2D 쌍과 셀룰러 사용자가 스펙트럼 자원을 공동으로 이용하기 위해 코어리션을 형성하는 코어리션 형성 게임을 도입한다.
• 도달 가능한 스펙트럼 효율성에 기반하여 각 코어리션의 유틸리티 함수를 정의하며, 빔포밍 이득과 간섭 제약 조건을 통합한다.
• 플레이어들이 반복적으로 코어리션에 재진입하여 개인 유틸리티를 향상시키는 최적 반응 업데이트 규칙을 적용함으로써 나이시 안정 균형으로 수렴을 보장한다.
• 이론적 분석을 통해 실질적인 채널 조건 하에서 나이시 안정 분할로의 수렴성과 근사 최적성을 입증한다.
• mmWave 링크 신뢰성을 시뮬레이션하기 위해 반력반폭 각도(θ−3dB)와 차단 확률(β)을 고려한 실질적인 방향성 안테나 모델을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 mmWave 및 셀룰러 밴드를 포함한 HCNs에서 D2D 쌍과 셀룰러 사용자를 효율적으로 코어리션으로 묶어 시스템 합성 속도를 최대화할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 제안된 코어리션 게임의 수렴 행동은 어떻게 되며, 계산 복잡도 측면에서 완전 탐색과 비교해 볼 때 어떠한가?
• RQ3 차단 확률(β)과 빔폭(θ−3dB)이 기준 방법과 비교해 제안된 방법의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 게임 기반 접근법이 전통적인 자원 할당 기법에 비해 합성 속도 및 채널 손상에 대한 강건성 측면에서 얼마나 뛰어나게 성능을 발휘하는가?
• RQ5 고밀도 사용자 및 간섭 조건 하에서도 코어리션 게임이 빠른 수렴을 이룩하며 근사 최적의 합성 속도를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 고차단 확률(β = 0.8) 조건 하에서 제안된 코어리션 게임(CG)은 기준 방법(RC) 대비 최대 332% 높은 시스템 합성 속도를 기록하며, 뛰어난 강건성을 입증한다.
• 빔폭(θ−3dB)이 80°로 증가할 경우, CG는 FMC 대비 9% 향상되고 RC 대비 298% 향상되어 간섭 관리 능력이 뛰어나다는 것을 시사한다.
• CG의 스위치 동작 횟수는 D2D 쌍과 코어리션 수의 증가에 따라 증가하지만, 완전 탐색(8^N 반복)에 비해 현저히 낮아 빠른 수렴을 입증한다.
• 네트워크 영역 크기가 증가함에 따라(측면 길이 100m에서 600m로), 모든 방법에서 경로 손실과 차단 증가로 인해 합성 속도가 감소하지만, CG는 가장 높은 성능를 유지한다.
• CG, FMC, RC의 시스템 합성 속도는 차단 확률(β) 증가에 따라 감소하는 반면, CCG와 FCC는 낮고 안정된 수준을 유지하여 mmWave 링크 신뢰성의 영향을 확인한다.
• 이론적 분석을 통해 코어리션 게임가 나이시 안정 균형으로 수렴함을 확인하여 안정적이고 예측 가능한 네트워크 운영을 보장한다.