[论文解读] Device-to-Device Communication Underlaying a Finite Cellular Network Region

Jing Guo, Salman Durrani+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2015

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 39被引用 5

一句话总结

本文提出了一种在有限蜂窝网络区域内的D2D模式选择方案，以管理非正交复用的蜂窝内D2D通信中的同小区干扰。利用随机几何方法，将D2D用户位置建模为泊松点过程（Poisson Point Process），推导了基站和D2D接收机的中断概率，结果表明：即使蜂窝链路的路径损耗指数略微降低，也能在保持高频谱复用率的同时，通过提高D2D密度来增加成功的D2D传输数量。

ABSTRACT

Underlay in-band device-to-device (D2D) communication can improve the spectrum efficiency of cellular networks. However, the coexistence of D2D and cellular users causes inter-cell and intra-cell interference. The former can be effectively managed through inter-cell interference coordination and, therefore, is not considered in this work. Instead, we focus on the intra-cell interference and propose a D2D mode selection scheme to manage it inside a finite cellular network region. The potential D2D users are controlled by the base station (BS) to operate in D2D mode based on the average interference generated to the BS. Using stochastic geometry, we study the outage probability experienced at the BS and a D2D receiver, and spectrum reuse ratio, which quantifies the average fraction of successfully transmitting D2D users. The analysis shows that the outage probability at the D2D receiver varies for different locations. Additionally, without impairing the performance at the BS, if the path-loss exponent on the cellular link is slightly lower than that on the D2D link, the spectrum reuse ratio can have negligible decrease while the D2D users' average number of successful transmissions increases with increasing D2D node density. This indicates that an increasing level of D2D communication can be beneficial in future networks..

研究动机与目标

• 解决有限蜂窝网络区域内非正交复用D2D通信中的同小区干扰问题。
• 建模由于空间约束导致的D2D用户位置相关性能。
• 基于对基站的平均干扰，提出一种D2D模式选择方案。
• 利用随机几何方法分析基站和D2D接收机的中断概率。
• 以频谱复用率为指标，量化成功的D2D传输数量。

提出的方法

• 将蜂窝网络区域建模为有限圆形区域，D2D用户建模为潜在D2D用户（p-DUEs）的泊松点过程（PPP）。
• 利用随机几何方法推导基站和典型D2D接收机的中断概率，考虑路径损耗和衰落效应。
• 提出一种模式选择准则：仅当潜在D2D用户对基站的干扰低于阈值ξ时，才允许其以D2D模式运行。
• 通过分析两个圆盘区域的重叠（一个以D2D接收机为中心，另一个由干扰约束定义）来推导p-DUE处于D2D模式的概率。
• 应用伽马分布近似和二项式展开，推导出在不同路径损耗指数下D2D模式概率的可计算表达式。
• 分析不同路径损耗指数对蜂窝链路和D2D链路的影响，评估其对频谱复用率和中断性能的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 D2D用户在有限蜂窝区域内的位置如何影响其中断概率和对基站的干扰？
• RQ2 何种最优D2D模式选择策略可在最小化对基站干扰的同时最大化D2D频谱复用？
• RQ3 蜂窝链路的路径损耗指数与D2D链路的路径损耗指数相比，对频谱复用率和D2D成功传输率的影响有何差异？
• RQ4 在有限区域内，如何在维持基站性能与增加成功D2D传输数之间实现权衡？
• RQ5 D2D用户的空间分布如何影响网络整体性能，包括中断概率和频谱效率？

主要发现

• D2D接收机的中断概率具有位置相关性，距离基站越远的用户其中断概率越高。
• 当蜂窝链路的路径损耗指数仅略低于D2D链路的路径损耗指数时，尽管D2D节点密度增加，频谱复用率仍几乎不变。
• 随着D2D节点密度的增加，成功D2D传输的平均数量显著提升，且不会损害基站性能。
• 所提出的模式选择方案通过基于对基站干扰阈值的限制，有效控制了同小区干扰。
• 基于随机几何的分析模型能准确捕捉有限区域内D2D增益与蜂窝链路可靠性之间的权衡。
• 推导出的D2D模式概率表达式适用于一般路径损耗指数，同时综合考虑了空间分布和衰落效应。