[论文解读] Low-Rate Machine-Type Communication via Wireless Device-to-Device (D2D) Links

Nuno K. Pratas, Petar Popovski|arXiv (Cornell University)|May 29, 2013

IoT Networks and Protocols参考文献 54被引用 32

一句话总结

本文提出了一种网络辅助的设备到设备（D2D）中继方案，通过利用正交D2D链路与机会性干扰消除及认知无线电原理，在蜂窝网络中支持低速率、低功耗的机器类型通信（MTC）。该方案在最大化宽带用户速率的同时降低MTC的中断概率，通过基站协调下的联合功率与速率自适应，显著提升了活跃链路时长与频谱效率。

ABSTRACT

Wireless cellular networks feature two emerging technological trends. The first is the direct Device-to-Device (D2D) communications, which enables direct links between the wireless devices that reutilize the cellular spectrum and radio interface. The second is that of Machine-Type Communications (MTC), where the objective is to attach a large number of low-rate low-power devices, termed Machine-Type Devices (MTDs) to the cellular network. MTDs pose new challenges to the cellular network, one if which is that the low transmission power can lead to outage problems for the cell-edge devices. Another issue imminent to MTC is the \emph{massive access} that can lead to overload of the radio interface. In this paper we explore the opportunity opened by D2D links for supporting MTDs, since it can be desirable to carry the MTC traffic not through direct links to a Base Station, but through a nearby relay. MTC is modeled as a fixed-rate traffic with an outage requirement. We propose two network-assisted D2D schemes that enable the cooperation between MTDs and standard cellular devices, thereby meeting the MTC outage requirements while maximizing the rate of the broadband services for the other devices. The proposed schemes apply the principles Opportunistic Interference Cancellation and the Cognitive Radio's underlaying. We show through analysis and numerical results the gains of the proposed schemes.

研究动机与目标

• 解决蜂窝网络中小区边缘低速率、低功耗机器类型设备（MTD）的高中断概率问题。
• 通过使用D2D中继替代直接的基站链路，降低因大量MTD接入导致的回传与信令开销。
• 通过利用正交D2D传输与干扰管理，实现MTD业务与高速率蜂窝用户共存。
• 在确保MTD满足其目标中断概率与固定速率要求的前提下，最大化系统频谱效率。

提出的方法

• 将MTC建模为具有严格中断约束的固定速率业务，利用MTD至中继设备的D2D链路作为蜂窝下行链路的正交接入。
• 在中继端应用机会性干扰消除（OIC），在消除较强基站信号后解码MTD信号。
• 采用认知无线电正交原则，允许MTD与蜂窝用户在同一频谱上同时传输，基站实施功率自适应。
• 提出两种方案：一种用于上行链路（R.2），一种用于下行链路（U.2），均利用信道状态信息（CSI）进行速率与功率自适应。
• 在中继接收端的多址接入信道模型中应用连续干扰消除（SIC）原理，以解码两个信号。
• 推导在干扰条件下满足中断与速率约束的MTD最小发射功率的解析表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 D2D中继是否能在不降低蜂窝用户速率的前提下降低低速率、低功耗MTD的中断概率？
• RQ2 机会性干扰消除在共享频谱环境中如何提升MTD链路的可靠性？
• RQ3 与直接MTD到基站链路相比，采用CSI反馈的网络辅助D2D中继在性能上有哪些提升？
• RQ4 基站端的功率与速率自适应在多大程度上可增强MTD可靠性与系统频谱效率？

主要发现

• 所提出的D2D中继方案通过利用有利的信道条件与干扰消除，显著降低了MTD的中断概率。
• 数值结果表明，采用R.2与U.2方案并结合MaxCI与PF调度器时，蜂窝用户平均链路活跃时间与$E[\Gamma_U]$（吞吐量）均有显著提升。
• 正交D2D方法实现了MTD与蜂窝业务在同一频谱上的共存，减轻了基础设施负载，并支持多样设备使用单一空中接口。
• 推导出的最小发射功率$P_X^{\text{Min}}$确保了MTD在干扰条件下满足其目标中断概率与速率要求。
• 基于CSI信息的基站端联合功率与速率自适应，实现了MTD的可靠传输，同时最大化了系统频谱效率。