[论文解读] Joint Spectrum Reuse and Power Control for Multi-Sharing Device-to-Device Communication

Kuo-Yi Chen, Jung-Chun Kao+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2017

Wireless Communication Networks Research被引用 3

一句话总结

该论文提出MISS算法，用于在多共享设备到设备（D2D）通信中联合进行频谱复用与功率控制，结合最大独立集（MIS）以实现高效的资源复用，以及基于Stackelberg博弈的功率控制以最小化干扰。MISS在所有关键指标上均优于ORA、GTM+和GRA，系统吞吐量最高，传输功率消耗最低，同时保持较低的计算开销。

ABSTRACT

Compared to current mobile networks, next-generation mobile networks are expected to support higher numbers of simultaneously connected devices and to achieve higher system spectrum efficiency and lower power consumption. To achieve these goals, we study the multi-sharing device-to-device (D2D) communication, which allows any cellular user equipment to share its radio resource with multiple D2D devices. We jointly consider resource block reuse and power control and then develop the MISS algorithm. Simulation results show that MISS performs very well in terms of transmission power consumption, system throughput, and the number of permitted D2D devices.

研究动机与目标

• 解决在高设备连接度的下一代移动网络中，最大化系统频谱效率并最小化功耗的挑战。
• 克服现有算法的局限性，这些算法要么忽略功率控制，要么依赖预分发的DUE包，从而引入组合复杂度。
• 为多共享D2D通信中的资源块复用与功率控制设计联合优化框架，以提升系统吞吐量与能量效率。
• 设计一种快速、可扩展的算法，适用于支持大量DUE的5G网络中的实时部署。
• 通过在动态干扰条件下满足CUE与DUE的最小SINR要求，确保服务质量。

提出的方法

• 采用最大独立集（MIS）技术，通过识别可共享相同RB的非干扰DUE对，加速资源块复用。
• 构建Stackelberg博弈模型，其中CUE作为领导者，DUE对作为追随者，联合优化发射功率与干扰管理。
• 为DUE定义效用函数，平衡吞吐量最大化（第一项）与干扰最小化（第二项），实现在SINR约束下的功率控制。
• 将基于MIS的RB分配与基于Stackelberg博弈的功率控制相结合，同时最大化系统吞吐量并最小化总DUE发射功率。
• 将MISS算法实现为两阶段过程：第一阶段，计算MIS以确定可行的DUE对复用；第二阶段，应用Stackelberg博弈以设定最优发射功率。
• 通过博弈论优化过程中的迭代功率调整，确保所有CUE与DUE均满足其最小SINR阈值（CUE为7 dB，DUE为3 dB）。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在多共享D2D通信中有效协调联合频谱复用与功率控制，以最大化系统吞吐量并最小化干扰？
• RQ2 将最大独立集与Stackelberg博弈相结合，对D2D资源分配的可扩展性与性能有何影响？
• RQ3 所提出的MISS算法在吞吐量、功耗与允许的DUE对数量方面，相较于ORA、GTM+与GRA等现有算法，在性能与效率上表现如何？
• RQ4 在多共享D2D场景中，功率控制在干扰抑制与能效提升方面起到多大作用？
• RQ5 MISS算法能否在保持低计算复杂度的同时实现高性能，从而适用于5G网络的实时部署？

主要发现

• 在所有仿真场景中，MISS在所有评估算法中实现了最高的系统吞吐量，显著优于ORA、GTM+与GRA。
• 与ORA相比，MISS将总DUE发射功率降低了整整一到两个数量级，展现出卓越的能量效率。
• 使用MISS的允许DUE对比例约为90%，仅次于GRA（允许更多DUE，但代价是更高功耗与更低吞吐量）。
• 由于其显式功率控制机制能更有效地减少干扰，MISS在系统吞吐量与功耗方面均优于GTM+与GRA。
• MISS的运行时间与GTM+和GRA相当，且比ORA快一到两个数量级，表明其在大规模D2D部署中具备出色的可扩展性。
• 基于MIS的复用与基于Stackelberg博弈的功率控制相结合，使MISS能够同时最大化吞吐量并最小化干扰，实现了性能与能效之间的最佳权衡。