[论文解读] Spectral and Energy Efficiency of Uplink D2D Underlaid Massive MIMO Cellular Networks

Anqi He, Lifeng Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2017

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 30被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于上行链路设备到设备（D2D）复用大规模MIMO蜂窝网络的空间动态功率控制方案，以减轻蜂窝链路与D2D链路之间的同频干扰。通过推导精确的频谱效率（SE）表达式并分析能量效率（EE），表明存在一个最优D2D用户密度可使面积频谱效率最大化，且在所提方案下，蜂窝用户与D2D用户的能量效率性能可实现相当水平。

ABSTRACT

One of key 5G scenarios is that device-to-device (D2D) and massive multiple-input multiple-output (MIMO) will be co-existed. However, interference in the uplink D2D underlaid massive MIMO cellular networks needs to be coordinated, due to the vast cellular and D2D transmissions. To this end, this paper introduces a spatially dynamic power control solution for mitigating the cellular-to-D2D and D2D-to-cellular interference. In particular, the proposed D2D power control policy is rather flexible including the special cases of no D2D links or using maximum transmit power. Under the considered power control, an analytical approach is developed to evaluate the spectral efficiency (SE) and energy efficiency (EE) in such networks. Thus, the exact expressions of SE for a cellular user or D2D transmitter are derived, which quantify the impacts of key system parameters such as massive MIMO antennas and D2D density. Moreover, the D2D scale properties are obtained, which provide the sufficient conditions for achieving the anticipated SE. Numerical results corroborate our analysis and show that the proposed power control solution can efficiently mitigate interference between the cellular and D2D tier. The results demonstrate that there exists the optimal D2D density for maximizing the area SE of D2D tier. In addition, the achievable EE of a cellular user can be comparable to that of a D2D user.

研究动机与目标

• 解决由于高密度蜂窝与D2D传输导致的上行链路D2D复用大规模MIMO蜂窝网络中同频干扰的关键挑战。
• 设计一种灵活的空间动态功率控制策略，以减轻蜂窝到D2D以及D2D到蜂窝的干扰。
• 在所提功率控制方案下，对混合网络中的频谱效率（SE）与能量效率（EE）进行理论评估。
• 识别系统设计洞见，包括最优D2D用户密度与尺度特性，以实现目标频谱效率。

提出的方法

• 为D2D用户提出一种空间动态功率控制策略，包含无D2D链路或最大发射功率等特殊情况。
• 利用随机几何与点过程模型，推导出蜂窝用户与D2D用户频谱效率（SE）的精确闭式表达式。
• 通过干扰功率的拉普拉斯变换建模信干噪比（SINR），并推导SE边界。
• 应用詹森不等式，通过近似干扰加噪声项的倒数期望，推导出D2D SE的紧致下界。
• 通过分析大规模MIMO导频数与D2D用户密度等关键参数的影响，推导SE的尺度特性。
• 采用随机几何工具，包括泊松点过程与路径损耗模型，对用户与基站的空间分布进行建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 使D2D层面积频谱效率（SE）最大化的最优D2D用户密度是什么？
• RQ2 大规模MIMO导频数如何影响蜂窝链路与D2D链路的频谱效率与能量效率？
• RQ3 所提功率控制方案能否实现蜂窝用户与D2D用户之间相当的能量效率（EE）？
• RQ4 在D2D复用大规模MIMO网络中实现目标频谱效率的充分条件是什么？
• RQ5 在高网络密度下，所提动态功率控制如何减轻跨层干扰（蜂窝到D2D与D2D到蜂窝）？

主要发现

• 存在一个最优D2D用户密度，可使D2D层的面积频谱效率（SE）达到最大，表明卸载增益与干扰之间存在权衡。
• 在所提功率控制方案下，蜂窝用户的可实现能量效率（EE）可与D2D用户相当。
• 所推导的频谱效率表达式为精确形式，可量化大规模MIMO导频数与D2D密度等关键系统参数的影响。
• 推导出D2D SE的尺度特性，为在不同网络条件下实现目标SE提供了充分条件。
• 数值结果证实，所提功率控制能有效减轻蜂窝与D2D层之间的干扰。
• 采用随机几何方法可实现对干扰的精确建模，从而获得可解析处理的SE与EE表达式。