[论文解读] Optimal Relay Probing in Millimeter Wave Cellular Systems with Device-to-Device Relaying

Ning Wei, Xingqin Lin+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2015

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 25被引用 3

一句话总结

本文提出了一种基于阈值的中继探测策略，用于毫米波（mmWave）蜂窝系统中的设备到设备（D2D）中继通信，旨在随机阻塞和波 beamforming 开销条件下最大化吞吐量。利用最优停时理论，证明当某个中继的可实现频谱效率超过推导出的阈值时，应停止探测，从而相较于启发式方法显著提升吞吐量。

ABSTRACT

Millimeter-wave (mmWave) cellular systems are power-limited and susceptible to blockages. As a result, mmWave connectivity will be likely to be intermittent. One promising approach to increasing mmWave connectivity and range is to use relays. Device-to-device (D2D) communications open the door to the vast opportunities of D2D and device-to-network relaying for mmWave cellular systems. In this correspondence, we study how to select a good relay for a given source-destination pair in a two-hop mmWave cellular system, where the mmWave links are subject to random Bernoulli blockages. In such a system, probing more relays could potentially lead to the discovery of a better relay but at the cost of more overhead. We find that the throughput-optimal relay probing strategy is a pure threshold policy: the system can stop relay probing once the achievable spectral efficiency of the currently probed two-hop link exceeds some threshold. In general, the spectral efficiency threshold can be obtained by solving a fixed point equation. For the special case with on/off mmWave links, we derive a closed-form solution for the threshold. Numerical results demonstrate that the threshold-based relay probing strategy can yield remarkable throughput gains.

研究动机与目标

• 为解决由高路径损耗和人体等障碍物引起的 mmWave 连接间歇性中断问题。
• 在具有 D2D 中继的两跳 mmWave 系统中优化中继选择，平衡吞吐量增益与 beamforming 训练带来的探测开销。
• 在考虑随机伯努利阻塞和不可忽略的 beamforming 开销条件下，确定最优探测中继数量以实现最大频谱效率。
• 推导出一种基于阈值的策略，以在最小化不必要的探测的同时最大化系统吞吐量。

提出的方法

• 使用随机控制理论将中继探测问题建模为最优停时问题，以平衡探测成本与频谱效率增益。
• 将 mmWave 链路建模为具有链路可用概率 $ p $ 的随机伯努利阻塞，并引入每次探测的 beamforming 开销 $ au $。
• 推导出一个固定点方程，用于计算最优频谱效率阈值 $ R_z $，该阈值决定何时停止探测。
• 对于开关式 mmWave 链路，推导出最优阈值的闭式表达式。
• 采用解码与转发（DF）中继，并假设在信道质量估计前必须完成波束对准，因此每次探测引入不可忽略的开销。
• 通过数值仿真验证阈值策略，采用真实参数（例如 28 GHz、500 MHz 带宽、30 dBm 发射功率）进行评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有 D2D 中继的 mmWave 蜂窝系统中，为在 beamforming 开销和阻塞条件下最大化吞吐量，最优探测中继数量是多少？
• RQ2 最优探测策略如何在发现高质量中继与因 beam 训练带来的探测开销之间进行权衡？
• RQ3 基于阈值的策略是否能在不同链路可用性条件下优于启发式策略（如短视停止策略或固定探测启发式）？
• RQ4 beamforming 开销与链路可用性如何共同影响停止探测的最优频谱效率阈值？

主要发现

• 最优中继探测策略是一种纯阈值策略：当探测到的两跳链路可实现频谱效率超过推导出的阈值时，探测即停止。
• 对于开关式 mmWave 链路，最优阈值具有闭式解，可实现高效部署。
• 数值结果表明，无论链路可用性水平如何，基于阈值的策略在吞吐量上均显著优于短视停止和固定探测启发式方法。
• 在低链路可用性（$ p = 0.1 $）时吞吐量增益最为显著，此时短视停止策略已近乎最优，但阈值策略在所有可用性水平下均优于所有启发式方法，包括高可用性场景。
• 随着探测开销 $ au $ 增大，最优阈值降低，表明当 beam 训练成本较高时，应减少探测的中继数量。
• 随着链路可用性 $ p $ 提高，最优阈值也增加，反映出在链路更可靠时，探索更多中继更具优势。