[论文解读] Performance Analysis and Optimization of Cooperative Full-Duplex D2D Communication Underlaying Cellular Networks

Guoling Liu, Wenjiang Feng+2 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2018

Full-Duplex Wireless Communications被引用 5

一句话总结

本文提出了一种在蜂窝网络下进行协作式全双工设备到设备（D2D）通信的系统，其中一个蜂窝用户作为全双工中继，利用叠加编码和连续干扰 cancellation（SIC）协助D2D链路。主要贡献是提出了一种最优功率分配方案，以最大化最小可实现速率，理论分析与仿真结果证实，该方案在频谱效率和中断性能方面优于半双工及非协作方案。

ABSTRACT

This paper investigates the cooperative full-duplex device-to-device (D2D) communication underlaying cellular network, where the cellular user (CU) acts as a full-duplex relay to assist the D2D communication. To simultaneously support D2D relaying and uplink transmission, superposition coding and successive interference cancellation are adopted at the CU and the D2D receiver, respectively. The achievable rate region and joint outage probability are derived to characterize the performance of the considered system. An optimal power allocation scheme is proposed to maximize the minimum achievable rate. Besides, by analyzing the upper bound of the joint outage probability, we study a suboptimal power allocation to improve the outage performance. The simulation results confirm the theoretical analysis and the advantages of the proposed power allocation schemes.

研究动机与目标

• 解决传统半双工中继方案下D2D通信中频谱效率有限和链路质量差的问题。
• 通过引入全双工蜂窝用户作为中继，克服在恶劣传播条件下直接D2D链路的性能瓶颈。
• 设计一种功率分配策略，在服务质量约束下最大化蜂窝用户与D2D用户之间的最小可实现速率。
• 分析并优化联合中断概率，以提升衰落信道中的系统可靠性。
• 通过理论与仿真结果，评估全双工协作方案相较于半双工和非协作D2D系统的性能增益。

提出的方法

• 在蜂窝用户（CU）处使用叠加编码，在同一频段上复用蜂窝与D2D数据流。
• 在D2D接收机和CU处采用连续干扰取消（SIC）技术，以解码目标信号并抑制干扰。
• 在统计信道状态信息下，推导瑞利衰落信道中的可实现速率区域与联合中断概率。
• 提出一种最优功率分配算法，在个体功率约束下最大化D2D与蜂窝链路之间的最小速率。
• 基于联合中断概率的上界，设计一种次优功率分配方案，以在降低复杂度的同时提升可靠性。
• 利用随机几何与顺序统计方法，对涉及多条衰落链路的中断概率进行建模与计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 全双工中继结合叠加编码与SIC如何提升D2D-underlaid蜂窝网络中的频谱效率？
• RQ2 在存在同频干扰的情况下，全双工D2D中继系统的可实现速率区域与联合中断概率是什么？
• RQ3 在服务质量约束下，如何优化功率分配以最大化D2D用户与蜂窝用户之间的最小速率？
• RQ4 与半双工或非协作D2D系统相比，所提出的全双工协作方案的性能增益如何？
• RQ5 基于中断概率上界的次优功率分配方案如何在降低计算成本的同时提升系统可靠性？

主要发现

• 所提出的最优功率分配方案可最大化最小可实现速率，在功率约束下确保D2D用户与蜂窝用户之间的公平性。
• 理论分析表明，与半双工或非中继方案相比，采用全双工中继与SIC可显著降低联合中断概率。
• 仿真结果证实，全双工协作D2D系统相较于半双工方案具有更高的频谱效率和更低的中断概率。
• 基于中断概率上界的次优功率分配方案在计算复杂度降低的同时，实现了接近最优的性能。
• 系统性能对残留自干扰具有鲁棒性，推导出的中断表达式通过蒙特卡洛仿真得到验证。
• 理论分析通过反证法证明，最优功率分配可确保在满足蜂窝用户最小速率要求的前提下最大化D2D速率。