[论文解读] 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 2

一句话总结

本文提出了一种在云无线电接入网络（CRANs）中的混合设备到设备（D2D）通信模型，使D2D链路能够同时在CRAN的正交复用模式和非授权ISM频段中运行。通过采用基于链路距离的频谱选择方案与解析功率最小化方法，该模型相比单一模式D2D网络实现了近50%的节能，同时通过传输延迟违规概率约束保证了服务质量（QoS）。

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.

研究动机与目标

• 为解决由于设备能量限制和干扰导致的D2D网络能效与QoS局限性问题。
• 通过缓存与频谱共享实现D2D卸载，减少CRAN中的回传与前传流量。
• 设计一种混合D2D模型，利用正交复用CRAN与ISM频段频谱，以提升能效与QoS。
• 解析推导频谱选择的阈值距离与满足QoS要求的最小发射功率。
• 评估混合模型在能耗与用户密度方面相较于单一模式D2D网络的性能表现。

提出的方法

• 提出一种基于链路距离的频谱选择方案，根据用户与服务设备的距离，将其分配至正交复用CRAN频段或ISM频段。
• 推导出用于区分可接入ISM频段（外带）与使用正交复用频段用户的阈值距离的闭式近似表达式。
• 建立解析表达式，用于计算在各工作频段中满足目标延迟违规概率（DVP）所需的最小发射功率。
• 系统模型假设为具备缓存功能的E-CRAN，用户空间分布采用泊松点过程建模，考虑瑞利衰落、路径损耗且忽略噪声。
• 在假设外带与正交复用D2D用户集均为齐次泊松点过程的前提下，理论分析覆盖概率与D2D用户密度，并通过仿真验证该假设。
• 采用迭代优化方法对比性能与解析近似结果，在精度与计算成本之间取得平衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 在混合CRAN-D2D网络中，什么是最优的阈值距离，可在维持QoS的同时最大化D2D卸载？
• RQ2 在正交复用与ISM频段之间，满足特定QoS水平所需的最小发射功率如何变化？
• RQ3 ISM频段中外部用户密度对D2D网络性能与频谱分配有何影响？
• RQ4 与仅在正交复用或ISM频段运行的单一模式D2D网络相比，混合D2D模型在能效方面表现如何？
• RQ5 解析近似在预测混合部署场景中D2D用户密度与覆盖概率方面的准确性如何？

主要发现

• 所提出的混合D2D模型相比仅在正交复用或ISM频段运行的单一模式D2D网络，平均发射功率降低近50%。
• 理论覆盖概率与仿真结果高度吻合，验证了外带与正交复用D2D用户集遵循齐次泊松点过程的假设。
• 随着外部用户密度（λext）增加，外带D2D链路的阈值距离（d⋆ou）减小以维持QoS，而正交复用阈值距离（d⋆ol）也减小，但速率更慢。
• 与单一部署相比，混合模型中D2D用户密度提升4至5倍，表明卸载机会显著增强。
• 迭代优化方法的能耗低于解析近似，但计算复杂度更高。
• 在高DP密度下，由于干扰约束，D2D链路强度趋于饱和，且随着网络密度增加，外带链路最终超过正交复用链路。