[论文解读] Efficient Data Uploading Supported by D2D Communications in LTE-A Systems

Antonino Orsino, Leonardo Militano+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2015

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 11被引用 14

一句话总结

本文提出在LTE-A网络中采用D2D中继方案，通过利用设备间强链路来中继上行链路质量较差的用户设备（UE）的数据，从而提升数据上传效率。通过启用协作式资源共享和多跳转发，该方法降低了中继UE和源UE的上传延迟，在单跳与多跳场景中均展现出性能增益。

ABSTRACT

The reference scenario in this paper is a single cell in a Long Term Evolution-Advanced (LTE-A) system, where multiple user equipments (UEs) aim at uploading some data to a central server or to the Cloud. The traditional uploading technique used in cellular systems, i.e., with separate links from each UE to the eNodeB, is compared to innovative extit{relay-based} schemes that exploit Device-to-Device (D2D) communications between two (or more) UEs in proximity to each other. Differences in the channel quality experienced by the UEs offer an opportunity to develop D2D-based solutions, where extit{(i)} the UE with a poor direct link to the eNodeB will forward data to a nearby UE over a high-quality D2D link; and extit{(ii)} the receiving UE then uploads its own generated data and the relayed data to the eNodeB over a good uplink channel. A straightforward gain in the data uploading time can be obtained for the first UE. To extend the benefits, also to the relaying UE, enhanced D2D-based solutions are proposed that decrease the uploading time of this UE based on the cooperative sharing of the resources allocated by the eNodeB to the cooperating devices. Finally, preliminary results are also presented for a multihop study case, where a chain of devices exploits D2D communications to upload data to the eNodeB.

研究动机与目标

• 解决传统蜂窝上行链路传输在LTE-A中效率低下的问题，即上行链路质量较差的UE面临高延迟。
• 利用基于邻近性的D2D通信，将上行链路直接连接到eNodeB质量较差的UE的数据通过连接更优的中继UE进行卸载。
• 通过启用eNodeB分配的上行链路资源的协作共享，最小化源UE和中继UE的上传时间。
• 将所提方案扩展至多跳场景，即通过多个UE构成的链路，逐跳转发数据至eNodeB。
• 在单小区LTE-A环境中评估基于D2D的上传方案相较于传统蜂窝上行链路传输的性能增益。

提出的方法

• 利用近距离UE之间的设备到设备（D2D）通信链路，将上行链路质量较差的UE的数据中继至上行链路条件更好的中继UE。
• 设计一种基于中继的上传方案，其中中继UE通过高质量D2D链路转发源UE的数据，并将自身数据与中继数据共同通过强上行链路发送至eNodeB。
• 在源UE与中继UE之间实现协作式资源共享，通过联合利用其分配的上行链路资源，减少中继UE的上传时间。
• 将系统建模为具有多个UE的单小区LTE-A网络，利用UE之间的信道质量差异，基于链路质量实现最优中继选择。
• 通过构建UE链，将方案扩展至多跳场景，每个UE将数据转发给下一跳，最终通过最后一个中继将所有数据转发至eNodeB。
• 使用系统级仿真评估性能，重点关注端到端上传延迟和资源利用效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统的蜂窝上行链路传输相比，D2D中继如何提升LTE-A中的上传效率？
• RQ2 源UE与中继UE之间的协作式资源共享对中继UE上传延迟有何影响？
• RQ3 在具有多个中继的多跳场景中，D2D方案的性能如何扩展？
• RQ4 UE之间信道质量的差异在实现高效D2D中继选择中起到什么作用？
• RQ5 D2D中继能否同时降低源UE和中继UE的上传延迟？在何种条件下可以实现？

主要发现

• 基于D2D的中继方案通过利用高质量D2D链路进行数据转发，显著降低了上行链路直接连接到eNodeB质量较差的UE的上传延迟。
• 源UE与中继UE之间的协作式资源共享可减少中继UE的上传时间，使优势不仅限于源UE。
• 通过利用空间复用和基于邻近性的通信，该方案提升了系统级吞吐量和公平性。
• 多跳D2D转发链路是可行的，并可在密集UE部署场景中进一步降低端到端上传延迟。
• 当信道质量具有高空间相关性时，性能增益最为显著，此时近距离UE之间可轻松建立强D2D链路。
• 初步结果证实，与传统蜂窝上行链路相比，基于D2D的上传在延迟和资源效率方面表现更优，尤其在高负载条件下。