In the next generation communication system, Device-to-Device (D2D) communication is important concept since data traffic in cellular networks has dramatically increased in recent years due to the booming growth of mobile applications. As a supporting technique for multihop cellular networks, D2D communication improves resource utilization in cellular networks by allowing two devices in proximity of each other to communicate through direct link for data transmission. In D2D communication of cellular networks, by using relay communication, multiple user equipments can communicate with selected head D2D user to transmit data to the base station. We call this strategy user-cooperation. User-cooperation has the characteristics such as the system throughput increases. Although D2D communication gives improvement in the system throughput, it may generate interference into the existing cellular user when the D2D user shares the resource with the cellular user, if not designed properly. Thus, an efficient resource management is one of the most important issues for D2D communication in cellular networks, where D2D users and cellular users coexist in the network. However, most of resource managements considered only D2D pairs and they have high complexity. To reduce complexity, there was a work about resource management algorithm using iterative combinatorial auction as the allocation mechanism. Then, resources played as bidders. However, this work only considered D2D pairs and did not take into account the minimum requirement Signal to Interference plus Noise Ratio (SINR) of cellular user.
In this thesis, we propose a resource management algorithm for D2D communication based on clustering and user-cooperation in cellular networks. We apply iterative combinatorial auction in the proposed algorithm to reduce complexity. Because D2D communication gives interference to cellular user sharing the resource, we consider the minimum requirement SINR of cellular user. First, our proposed system model is described. And then, the valuation model is defined. Moreover, we formulate an optimization problem to maximize the system throughput. Also, we analyze the algorithm in terms of convergence and computational complexity. In addition, we analyze admission control of D2D users based on QoS of cellular user.
We evaluate the performance of the proposed algorithm by simulation. The average system throughput and access success rate are selected as the metrics of the performance to verify the proposed algorithm and compare the proposed algorithm with the conventional algorithm. In the simulation results, the minimum requirement SINR of cellular user affects the performance of the average system throughput. The higher the minimum SINR of cellular user is required, the lower the average system throughput we can get. Also, the performance of access success rate is affected by the minimum requirement SINR of cellular user. As the minimum requirement SINR of cellular user increases, the number of accepted D2D users decreases. Moreover, we can see that increasing the number of D2D users improves the performance of the average system throughput. Also, it is shown that our proposed algorithm is more efficient in view of both considered metrics compared with conventional algorithm.
최근들어, 모바일 어플리케이션과 태블릿 단말의 사용량이 급증하게 증가함에 따라 셀룰러 네트워크에서 모바일 트래픽이 기하급수적으로 늘어나고 있다. 이러한 상황에서 단말 간 통신 (D2D communication)은 시스템의 전체 용량을 증가 시킬 수 있고 시스템 트래픽을 분산 시킬 수 있기 때문에 각광 받고 있다. 단말 간 통신을 멀티홉 셀룰러 네트워크에서 적용할 때, 단말 간 통신은 서로 인접한 사용자에게 데이터를 전송하여 전달 하는 방식의 통신을 할 수 있다. 셀룰러 네트워크에서 단말 간 통신을 통해, 다수의 단말은 기지국에게 직접 데이터를 전송하는 대신 선택 된 헤드 사용자를 통해 기지국에게 데이터를 전송할 수 있다. 이러한 통신 방법을 본 논문에서는 사용자-협력 (user-cooperation)이라 부른다. 이러한 사용자-협력은 전체 시스템의 용량을 증가시키는 특징을 갖고 있다. 비록 단말 간 통신이 전체 시스템 성능 향상에 기여하지만, 단말 간 통신은 셀룰러 네트워크에 같이 존재하는 셀룰러 사용자와 채널을 공유하기 때문에 서로 간섭을 끼친다. 그래서 셀룰러 네트워크에서 단말 간 통신을 사용하는데 있어서 효율적인 자원 관리 문제가 중요한 이슈이다. 하지만, 현재까지 연구된 대부분의 논문들은 오로지 단말 쌍 (D2D pair)만을 고려 하고 있고 기존 논문들은 높은 복잡도를 갖고 있는 문제가 있다. 복잡도를 낮추기 위해, 최근 셀룰러 네트워크에서 단말 간 통신을 위해 반복적 조합 기반 경매 게임 (iterative combinatorial auction game)을 적용하여 자원 할당을 수행한 연구 결과가 있다. 하지만 이 논문 역시 단말 쌍들만을 고려하였고 또한 셀룰러 단말의 최소 만족 신호대 간섭 및 잡음 비를 고려하지 않았다.
본 논문에서는, 셀룰러 네트워크에서 클러스터를 이루고 있는 단말들의 단말 간 통신을 위한 자원 할당 방안에 대해 연구하였다. 먼저, 사용자-협력을 위해 클러스터를 만드는 과정에 대해 설명한 후 본 논문의 시스템 모델을 설명하고 그 다음 반복적 조합 기반 경매 게임에 이용 될 가치 모델 (valuation model)을 정의하였다. 제안 알고리즘에는 복잡도를 줄이기 위해 반복적 조합 기반 경매 게임을 일부 적용하였다. 또한, 셀룰러 사용자와 단말 간 통신 사용자가 채널 자원을 공유하기 때문에 셀룰러 사용자의 최소 신호대 간섭 및 잡음 비를 고려하였다. 이와 더불어, 전체 시스템 용량을 최대화 하는 문제를 정의하고 제안 알고리즘의 성능을 분석하였다. 제안 알고리즘의 수렴성과 복잡도를 분석하였고, 단말 간 통신을 하는 사용자의 수용 조건에 대한 분석도 역시 수행하였다.
제안 알고리즘을 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 평가 척도로는 전체 시스템 용량과 수용도 (access success rate)로 선정하였다. 제안 알고리즘의 성능을 채널이 플레이어가 된 기존 반복적 조합 기반 경매 게임과과 최적의 스케줄링 그리고 무작위 스케줄링과 함께 성능을 비교하였다. 시뮬레이션 결과를 통해 셀룰러 사용자의 최소 신호대 간섭 및 잡음 비가 전체 시스템 용량에 영향을 미침을 확인하였다. 셀룰러 사용자의 최소 신호대 간섭 및 잡음 비가 높을수록, 전체 시스템 용량은 줄어듬을 확인하였다. 또한, 셀룰러 사용자의 최소 신호대 간섭 및 잡음 비가 수용도에 역시 영향을 미침을 확인하였다. 이와 더불어, 클러스터에 사용자 수가 증가함에 따라 시스템 용량이 증가함을 확인 하였다.
