[论文解读] Resource Allocation for Device-to-Device Communications Underlaying Heterogeneous Cellular Networks Using Coalitional Games

Yali Chen, Bo Ai+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2018

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 24被引用 6

一句话总结

本文提出了一种基于联盟博弈的资源分配框架，用于融合毫米波（mmWave）与Sub-6 GHz频段的异构蜂窝网络（HCNs）中的设备到设备（D2D）通信。通过将D2D对与蜂窝用户建模为玩家，形成联盟以最大化系统总速率，该方法实现了接近最优的性能，并快速收敛至纳什稳定均衡状态，在高遮挡条件下相比传统方案的总速率增益最高可达332%。

ABSTRACT

Heterogeneous cellular networks (HCNs) with millimeter wave (mmWave) communications included are emerging as a promising candidate for the fifth generation mobile network. With highly directional antenna arrays, mmWave links are able to provide several-Gbps transmission rate. However, mmWave links are easily blocked without line of sight. On the other hand, D2D communications have been proposed to support many content based applications, and need to share resources with users in HCNs to improve spectral reuse and enhance system capacity. Consequently, an efficient resource allocation scheme for D2D pairs among both mmWave and the cellular carrier band is needed. In this paper, we first formulate the problem of the resource allocation among mmWave and the cellular band for multiple D2D pairs from the view point of game theory. Then, with the characteristics of cellular and mmWave communications considered, we propose a coalition formation game to maximize the system sum rate in statistical average sense. We also theoretically prove that our proposed game converges to a Nash-stable equilibrium and further reaches the near-optimal solution with fast convergence rate. Through extensive simulations under various system parameters, we demonstrate the superior performance of our scheme in terms of the system sum rate compared with several other practical schemes.

研究动机与目标

• 为解决融合毫米波与Sub-6 GHz频段的异构蜂窝网络（HCNs）中D2D对与蜂窝用户之间高效频谱共享的挑战。
• 在毫米波与蜂窝频段共享无线资源引发的干扰约束下，最大化系统总速率。
• 设计一种分布式、可扩展的资源分配机制，实现在低计算复杂度下的近似最优性能。
• 考虑毫米波链路中的实际传播损伤，如路径损耗、阴影衰落和遮挡。
• 通过博弈论均衡分析，确保网络划分收敛至稳定状态。

提出的方法

• 将上行链路资源分配问题建模为非线性整数规划问题，综合考虑毫米波与蜂窝频段中的干扰、路径损耗和遮挡。
• 引入联盟形成博弈，使D2D对与蜂窝用户组成联盟，联合利用频谱资源，以最大化总速率。
• 基于可实现的频谱效率定义每个联盟的效用函数，整合波束成形增益与干扰约束。
• 采用最优响应更新规则，使玩家迭代地重新加入联盟以提升个体效用，确保收敛至纳什稳定均衡。
• 理论分析证明，在实际信道条件下，该方法可收敛至纳什稳定划分并实现近似最优性能。
• 采用具有半功率波束宽度（θ−3dB）和遮挡概率（β）的现实方向性天线模型，以模拟毫米波链路的可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在融合毫米波与蜂窝频段的HCNs中，如何高效地将D2D对与蜂窝用户分组为联盟，以最大化系统总速率？
• RQ2 所提出的联盟博弈的收敛行为如何？其计算复杂度与穷举搜索相比有何差异？
• RQ3 遮挡概率（β）与波束宽度（θ−3dB）如何影响所提方案相较于基准方法的性能？
• RQ4 所提基于博弈的方法在总速率与信道损伤鲁棒性方面，相较于传统资源分配方案的优越程度如何？
• RQ5 在高用户密度与强干扰条件下，该联盟博弈是否仍能实现接近最优的总速率并具备快速收敛性？

主要发现

• 在遮挡概率β = 0.8的高遮挡条件下，所提联盟博弈（CG）相比参考方案（RC）实现了高达332%的系统总速率增益，展现出更强的鲁棒性。
• 当波束宽度（θ−3dB）增至80°时，CG在总速率上较FMC高出9%，较RC高出298%，表明其具备更优的干扰管理能力。
• CG中的切换操作次数随D2D对与联盟数量增加而上升，但显著低于穷举搜索（8^N次迭代），证明其收敛速度快。
• 随着网络区域尺寸增大（边长从100 m增至600 m），所有方案的总速率均因路径损耗与遮挡增加而下降，但CG保持最高性能。
• CG、FMC与RC的系统总速率随遮挡概率（β）增加而下降，而CCG与FCC保持较低且稳定，证实了毫米波链路可靠性的影响。
• 理论分析确认，联盟博弈可收敛至纳什稳定均衡，确保网络运行稳定且可预测。