[论文解读] Power Control for D2D Underlaid Cellular Networks: Modeling, Algorithms and Analysis

Namyoon Lee, Xingqin Lin+2 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2013

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 23被引用 6

一句话总结

本文提出了一种基于随机几何的设备到设备（D2D）非正交多址接入（NOMA）蜂窝网络模型，并设计了集中式与分布式功率控制算法以管理跨载频干扰。推导了蜂窝与D2D覆盖概率及和速率的解析表达式，结果表明：在D2D链路密度较低时，D2D对蜂窝链路的跨载频干扰是主要性能瓶颈；而最优开关式功率控制可在最小化信道状态信息（CSI）反馈的前提下最大化D2D和速率。

ABSTRACT

This paper considers a device-to-device (D2D) underlaid cellular network where an uplink cellular user communicates with the base station while multiple direct D2D links share the uplink spectrum. This paper proposes a random network model based on stochastic geometry and develops centralized and distributed power control algorithms. The goal of the proposed power control algorithms is two-fold: ensure the cellular users have sufficient coverage probability by limiting the interference created by underlaid D2D users, while also attempting to support as many D2D links as possible. For the distributed power control method, expressions for the coverage probabilities of cellular and D2D links are derived and a lower bound on the sum rate of the D2D links is provided. The analysis reveals the impact of key system parameters on the network performance. For example, the bottleneck of D2D underlaid cellular networks is the cross-tier interference between D2D links and the cellular user, not the D2D intra-tier interference. Numerical results show the gains of the proposed power control algorithms and accuracy of the analysis.

研究动机与目标

• 通过将D2D用户位置建模为空间泊松点过程（PPP），实现基于随机几何的干扰分析。
• 通过管理D2D传输对蜂窝用户造成的跨载频干扰，解决D2D与蜂窝链路共存的挑战。
• 设计一种集中式功率控制算法，以在保证蜂窝用户覆盖概率的前提下最大化D2D链路调度数量。
• 提出一种分布式开关式功率控制方案，仅利用本地CSI即可最大化D2D和速率，从而降低反馈开销。
• 推导D2D密度与路径损耗指数的函数形式下，蜂窝与D2D链路覆盖概率及D2D和速率的闭式表达式。

提出的方法

• 将D2D用户位置建模为空间泊松点过程（PPP），利用随机几何实现可 tractable 的干扰建模。
• 提出一种集中式功率控制算法，通过求解凸优化问题，在满足D2D与蜂窝链路SINR约束的前提下最大化活跃D2D链路数量。
• 设计一种分布式开关式功率控制策略，仅根据直接链路的本地信道状态信息（CSI）选择最强的D2D链路进行传输。
• 利用干扰场的拉普拉斯变换与斯利夫尼亚科夫定理（Slivnyak’s theorem），推导上行链路蜂窝链路的覆盖概率。
• 通过在所提功率控制下对所有潜在D2D链路的成功传输概率进行积分，计算D2D和速率。
• 应用詹森不等式（Jensen’s inequality）推导蜂窝覆盖概率的下界，从而在功率控制条件下实现可 tractable 的性能分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 D2D链路密度与路径损耗指数如何影响非正交多址接入网络中蜂窝与D2D链路的覆盖概率？
• RQ2 在低D2D密度下，哪种干扰类型——D2D间干扰还是跨载频干扰——主导网络性能？
• RQ3 分布式开关式功率控制策略是否能在最小化CSI反馈的前提下实现接近最优的和速率？
• RQ4 集中式功率控制如何在D2D链路调度与蜂窝链路可靠性之间实现平衡？
• RQ5 在D2D链路的随机空间模型下，能否推导出覆盖概率与和速率的解析表达式？

主要发现

• 当D2D链路密度较低时，D2D链路对蜂窝用户的跨载频干扰是D2D非正交多址接入蜂窝网络的主要性能瓶颈，而非D2D内干扰。
• 所提出的集中式功率控制算法可在保证蜂窝用户目标覆盖概率的前提下，允许多个D2D链路同时传输。
• 分布式开关式功率控制策略通过仅基于本地CSI选择最强链路，实现了D2D链路和速率的最大化，性能接近最优。
• 推导出的蜂窝与D2D覆盖概率及D2D和速率的解析表达式经仿真验证，结果准确可靠。
• 利用詹森不等式推导出的蜂窝覆盖概率下界具有紧致性，可在实际功率控制约束下提供有效的性能度量。