[论文解读] Decentralized Opportunistic Access for D2D Underlaid Cellular Networks

Zheng Chen, Marios Kountouris|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 34被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种去中心化的、基于SIR感知的D2D回传蜂窝网络访问控制方案，结合了基于信噪比（SIR）的链路激活与蜂窝排除区域（保护区）。利用随机几何方法，推导出覆盖概率的解析表达式，并优化SIR阈值与保护区半径，以在保持蜂窝上行链路覆盖的前提下最大化D2D面积谱效率，相较于现有最先进方案实现了显著的吞吐量增益。

ABSTRACT

We propose a decentralized access control scheme for interference management in D2D (device-to-device) underlaid cellular networks. Our method combines SIR-aware link activation with cellular exclusion regions in a case where D2D links opportunistically access the licensed cellular spectrum. Analytical expressions and tight approximations for the coverage probabilities of cellular and D2D links are derived. We characterize the impact of the guard zone radius and the SIR threshold on the D2D area spectral efficiency and cellular coverage. A tractable approach was proposed in order to find the SIR threshold and guard zone radius, which maximize the area spectral efficiency of the D2D communication while ensuring sufficient coverage probability for cellular uplink users. Simulations validate the accuracy of our analytical results and show the performance gain of our proposed scheme compared to existing state-of-the-art solutions.

研究动机与目标

• 解决密集D2D回传蜂窝网络中干扰管理的挑战，其中D2D链路与蜂窝用户共享同一授权频谱。
• 设计一种完全去中心化的接入控制机制，不依赖集中式协调或信道状态信息交换。
• 同时优化SIR阈值与保护区半径，以在满足最小蜂窝覆盖概率约束的前提下最大化D2D面积谱效率（ASE）。
• 利用随机几何工具，为D2D与蜂窝链路的覆盖概率提供可处理的解析表达式。
• 通过大量仿真，验证所提方案相较于基线方案与最先进接入控制方法的性能增益。

提出的方法

• 将蜂窝基站（BS）与D2D发射机的位置建模为相互独立的齐次泊松点过程（PPPs）。
• 在每个蜂窝上行链路接收机周围引入一个保护区（排除区域），以减少来自D2D传输的同频干扰。
• 实施SIR感知的链路激活：仅当D2D链路对服务基站的SIR超过阈值 $ p_s $ 时才接入频谱，该阈值控制接入概率。
• 利用Voronoi单元形状的Poisson-Voronoi镶嵌近似，推导出典型蜂窝接收机处聚合干扰的拉普拉斯变换。
• 使用随机几何方法，推导出D2D与蜂窝链路覆盖概率的紧密解析近似。
• 建立解耦优化问题，联合求解最优SIR阈值 $ G^* $ 与保护区半径 $ ho^* $，以在满足蜂窝覆盖约束的前提下最大化D2D ASE。

实验结果

研究问题

• RQ1 SIR感知激活与保护区的结合如何影响去中心化D2D回传网络中D2D与蜂窝链路的覆盖概率？
• RQ2 在保持最小蜂窝上行链路覆盖概率的前提下，最大化D2D面积谱效率的最优SIR阈值与保护区半径是什么？
• RQ3 所提出的去中心化方案相较于无接入控制的基线方案，以及仅使用保护区或仅使用SIR机制的方案，在性能上表现如何？
• RQ4 基于随机几何的分析框架在实际网络部署中，对系统性能的预测准确性如何？
• RQ5 关键系统参数（如D2D密度、蜂窝密度与路径损耗指数）对最优接入策略有何影响？

主要发现

• 所提方案相较于基线方案与最先进方案实现了显著的吞吐量增益，仿真结果表明D2D面积谱效率大幅提升。
• 最优SIR阈值 $ p_s^* $ 通过Lambert W函数求得，表达式为 $ p_s^* riangleq rac{ ext{W}ig(eta^{2/eta} ho ig)}{ ho} $，其中 $ ho $ 取决于网络密度与路径损耗。
• 最优保护区半径 $ ho^* $ 通过权衡D2D吞吐量增益与空间复用损失来确定，仿真表明更大的保护区可提升蜂窝覆盖，但会减少D2D接入机会。
• D2D与蜂窝链路的覆盖概率解析近似值被证明高度准确，误差小于 $ 10^{-5} $，验证了随机几何模型的有效性。
• 解耦优化方法使得 $ p_s^* $ 与 $ ho^* $ 的联合优化问题可实现可处理的求解，使该方案适用于实时去中心化部署。
• 即使主要目标是最大化D2D ASE并满足蜂窝覆盖约束，最优参数 $ p_s^* $ 与 $ ho^* $ 同样能提升D2D网络的平均和速率。