[論文レビュー] Utility-maximization Resource Allocation for Device-to-Device Communication Underlaying Cellular Networks

Jialiang Zhang, Gang Wu+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2013

Advanced MIMO Systems Optimization被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、凸緩和とプライマル・デュアル分解を用いて、強力にNP困難なバイナリ最適化問題を扱いやすい凸問題に変換することで、セルラーネットワーク上に実装されたデバイス・ツー・デバイス（D2D）通信におけるユーティリティ最大化リソース割り当て方式を提案する。分散型アルゴリズムは低複雑性でありながら近似的最適性能を達成し、特にD2Dペアの密度が増加する際、D2Dユーザーのユーティリティを著しく向上させつつ、セルラーユーザーのQoSを維持する。

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.

研究の動機と目的

• D2Dユーザーがセルラーユーザーと上行リンクスケジュールを共有するD2D下位セルラーネットワークにおける干渉の課題に対処すること。
• セルラーユーザーのQoS制約のもとでD2Dユーザーの和ユーティリティを最大化すること。
• バイナリアソシエーションインジケータの緩和を用いて、強力にNP困難なバイナリ最適化問題を凸問題に変換すること。
• 実装可能性を考慮した低複雑性で分散型のアルゴリズムを設計するために、プライマル・デュアル分解を用いること。
• 変動するネットワーク状態におけるD2Dおよびセルラーユーザーのユーティリティの性能トレードオフを評価すること。

提案手法

• D2Dユーティリティを最大化すると同時に、干渉によるセルラーユーザーのユーティリティ劣化を制約するバイナリ組合せ最適化問題を定式化する。
• バイナリアソシエーションインジケータを連続変数に緩和することで、問題を凸最適化問題に変換する。
• プライマル・デュアル分解を適用し、静的環境において収束保証を持つ分散型リソース割り当てアルゴリズムを導出する。
• 収束を保証するため、デュアル昇上法に動的ステップサイズ調整を導入する。
• シャノン容量とログノーマルシャドウイングおよびパスロスモデルを用いて、セルラーリンクおよびD2Dリンクの上行リンクスペクトル効率をモデル化する。
• セルラーユーザーのリソース割り当てにウォーター・フィリング法を実装し、ユーティリティ分布のCDFを用いて性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 上行リンクスケジュール共有環境下で、D2Dリソース割り当てを最適化することで、D2Dユーザーのユーティリティを最大化すると同時に、セルラーユーザーのQoSを維持する方法は何か？
• RQ2 実用的制約のもとで、集中型最適解と分散型実装との間の性能ギャップはどの程度か？
• RQ3 D2Dペアの数とその送信範囲が、システムユーティリティおよび干渉レベルに与える影響は何か？
• RQ4 1つのセルラーユーザーのリソースのみを共有する制約が、D2Dユーティリティにどの程度影響を与えるか？
• RQ5 デュアル分解法における動的ステップサイズ調整が、収束性および解の品質に与える影響は何か？

主な発見

• D2Dペアが1つのセルラーユーザーのリソースのみを共有する場合、提案された分散型アルゴリズムは、集中型CVX解と比較して10%のユーティリティ損失で近似的最適性能を達成する。
• D2Dペアの数が増加するにつれて、集中型と分散型の性能ギャップが縮小するため、スケーラビリティが確認される。
• セルラーユーザーのユーティリティのCDFは、あらゆる手法でほぼ同一であるため、干渉への影響が最小限であり、下位方式の実現可能性が裏付けられる。
• D2Dペア間の最大送信距離が80メートルを超えると、D2Dユーザーのユーティリティが急激に低下する。これは、範囲とスペクトル効率のトレードオフを示している。
• 有界な部分勾配と動的ステップサイズ調整のおかげで、アルゴリズムは近似的最適解に収束し、リアルタイム展開において実用的な収束性を確保する。
• D2D送信範囲が160メートルを超えると、システムの和ユーティリティが著しく低下するため、有効なD2D下位運用の実用的上限が160メートルであると示唆される。