[论文解读] Distributed SIR-Aware Opportunistic Access Control for D2D Underlaid Cellular Networks

Chen, Zheng, Marios Kountouris|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2014

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 11被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种用于D2D同频复用蜂窝网络的分布式、SIR感知的机遇式接入控制方案，通过仅在估计的信号干扰比（SIR）超过自适应阈值时才允许D2D链路传输，从而最大化面积频谱效率。主要贡献在于利用随机几何推导出最优SIR阈值，其中条件SIR阈值在密集和稀疏网络中均优于无条件和信道感知方案，在覆盖概率、频谱效率和和速率方面表现更优。

ABSTRACT

In this paper, we propose a distributed interference and channel-aware opportunistic access control technique for D2D underlaid cellular networks, in which each potential D2D link is active whenever its estimated signal-to-interference ratio (SIR) is above a predetermined threshold so as to maximize the D2D area spectral efficiency. The objective of our SIR-aware opportunistic access scheme is to provide sufficient coverage probability and to increase the aggregate rate of D2D links by harnessing interference caused by dense underlaid D2D users using an adaptive decision activation threshold. We determine the optimum D2D activation probability and threshold, building on analytical expressions for the coverage probabilities and area spectral efficiency of D2D links derived using stochastic geometry. Specifically, we provide two expressions for the optimal SIR threshold, which can be applied in a decentralized way on each D2D link, so as to maximize the D2D area spectral efficiency derived using the unconditional and conditional D2D success probability respectively. Simulation results in different network settings show the performance gains of both SIR-aware threshold scheduling methods in terms of D2D link coverage probability, area spectral efficiency, and average sum rate compared to existing channel-aware access schemes.

研究动机与目标

• 解决D2D同频复用蜂窝网络中D2D链路与蜂窝用户共享频谱时的干扰管理问题。
• 通过智能、分布式接入控制提升D2D面积频谱效率和链路覆盖概率。
• 推导出能最大化吞吐量的最优SIR阈值，同时考虑来自蜂窝和D2D源的干扰。
• 通过基于SIR估计的本地可计算阈值，实现去中心化操作。
• 评估SIR感知方案相较于信道感知和非自适应接入方案的性能增益。

提出的方法

• 将D2D发射机位置建模为泊松点过程（PPP），以支持基于随机几何的干扰分析。
• 提出一种分布式接入控制机制，其中每个D2D链路在估计SIR超过阈值时激活，该阈值基于本地信道和干扰估计计算得出。
• 推导出两种最优SIR阈值表达式：一种基于无条件D2D成功概率，另一种基于条件成功概率，以反映活跃链路的链路质量。
• 利用基于随机几何推导出的D2D覆盖概率和面积频谱效率（ASE）的解析表达式，优化激活阈值。
• 对条件成功概率应用近似方法，以实现最优阈值的实用化、去中心化计算。
• 在不同D2D密度下进行仿真，将性能与信道感知和非自适应接入方案进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过分布式SIR感知机遇式接入控制最大化同频复用蜂窝网络中的D2D面积频谱效率？
• RQ2 用于D2D链路激活的最优SIR阈值是什么？如何实现去中心化计算？
• RQ3 使用条件成功概率与无条件成功概率对SIR感知接入控制性能有何影响？
• RQ4 在覆盖概率和和速率方面，SIR感知接入相较于信道感知和非自适应接入方案有哪些性能增益？
• RQ5 网络密度和目标SIR水平如何影响所提出阈值调度的有效性？

主要发现

• 采用条件最优SIR阈值的SIR感知机遇式接入方案在D2D链路覆盖概率和面积频谱效率方面表现最佳。
• 条件SIR阈值优于无条件阈值，因为它更准确地捕捉了活跃D2D链路的链路质量，从而提高了性能预测的准确性。
• 所提出的SIR感知方案在稀疏和密集D2D网络中均显著优于信道感知接入方案，且在D2D密度为 $\lambda = 4 \times 10^{-5}$ 时即展现出性能增益。
• 在密集网络中（$\lambda = 6 \times 10^{-5}$），对于高目标SIR值（$\beta > 12$ dB），条件与无条件SIR阈值之间的性能差距缩小，表明近似误差减小。
• 采用条件阈值的SIR感知方案性能接近实验最优值，验证了分析近似的有效性。
• 最优SIR阈值具有自适应特性，取决于网络密度和目标SIR，其中条件方法可在更早阶段激活（例如在 $-2$ dB 时），而无条件方法在稀疏网络中需达到 $12$ dB 才能激活。