[论文解读] Utility-maximization Resource Allocation for Device-to-Device Communication Underlaying Cellular Networks

Jialiang Zhang, Gang Wu+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2013

Advanced MIMO Systems Optimization被引用 4

一句话总结

本文提出了一种在蜂窝网络上行链路中进行设备到设备（D2D）通信的效用最大化资源分配方案，通过凸松弛和对偶分解方法，将一个强 NP 难的二值优化问题转化为可处理的凸问题。所提出的分布式算法在低复杂度下实现了接近最优的性能，显著提升了 D2D 用户效用，同时保持了蜂窝用户的服务质量（QoS），尤其在 D2D 对密度增加时表现更优。

ABSTRACT

Device-to-device(D2D) underlaying communication brings great benefits to the cellular networks from the improvement of coverage and spectral efficiency at the expense of complicated transceiver design. With frequency spectrum sharing mode, the D2D user generates interference to the existing cellular networks either in downlink or uplink. Thus the resource allocation for D2D pairs should be designed properly in order to reduce possible interference, in particular for uplink. In this paper, we introduce a novel bandwidth allocation scheme to maximize the utilities of both D2D users and cellular users. Since the allocation problem is strongly NP-hard, we apply a relaxation to the association indicators. We propose a low-complexity distributed algorithm and prove the convergence in a static environment. The numerical result shows that the proposed scheme can significant improve the performance in terms of utilities.The performance of D2D communications depends on D2D user locations, the number of D2D users and QoS(Quality of Service) parameters.

研究动机与目标

• 解决 D2D 上行链路频谱共享中 D2D 用户与蜂窝用户共用上行频谱时产生的干扰问题。
• 在蜂窝用户服务质量（QoS）约束下，最大化 D2D 用户的总效用。
• 通过松弛二值关联指标，将强 NP 难的二值优化问题转化为凸优化问题。
• 设计一种低复杂度、分布式的算法，利用对偶分解实现实际部署。
• 在不同网络条件下，评估 D2D 用户与蜂窝用户效用之间的性能权衡。

提出的方法

• 建立一个二值组合优化问题，以在控制 D2D 干扰导致的蜂窝用户效用下降的前提下，最大化 D2D 用户效用。
• 将二值关联指标松弛为连续变量，将问题转化为凸优化问题。
• 应用对偶分解方法，推导出在静态环境中具有收敛性保证的分布式资源分配算法。
• 在对偶上升法中采用动态步长调整，确保收敛至近似最优解。
• 采用香农容量模型，结合对数正态阴影衰落和路径损耗模型，对蜂窝和 D2D 链路的上行链路频谱效率进行建模。
• 对蜂窝用户资源分配采用水填充方法，并通过效用分布的累积分布函数（CDF）评估性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在上行链路频谱共享场景下优化 D2D 资源分配，以在保障蜂窝用户 QoS 的前提下最大化 D2D 用户效用？
• RQ2 在实际约束条件下，集中式最优解与分布式实现之间的性能差距如何？
• RQ3 D2D 对的数量及其传输范围如何影响系统效用和干扰水平？
• RQ4 仅与一个蜂窝用户共享资源的约束在多大程度上影响 D2D 用户效用？
• RQ5 对偶分解方法中动态步长调整对收敛性和解质量的影响如何？

主要发现

• 当 D2D 对仅与一个蜂窝用户共享资源时，所提出的分布式算法与集中式 CVX 解相比，效用损失仅为 10%，表现出接近最优的性能。
• 随着 D2D 对数量的增加，集中式与分布式方案之间的性能差距减小，表明该方案具有良好的可扩展性。
• 各方案下蜂窝用户效用的 CDF 几乎完全一致，证实了干扰影响极小，验证了正交接入方案的可行性。
• 当 D2D 对之间的最大传输距离超过 80 米时，D2D 用户效用迅速下降，凸显了传输距离与频谱效率之间的权衡关系。
• 由于子梯度有界且采用动态步长调整，该算法能够收敛至近似最优解，确保了在实际实时部署中的可行性。
• 当 D2D 传输距离超过 160 米时，系统总效用显著下降，表明 160 米是有效 D2D 正交接入操作的实际上限。