5G通信ネットワークに向けたD2D技術総論（その２）

2017年 7月20日

（その１よりつづき）

2.2 D2D資源分配

　D2Dは通信に、より便利で柔軟な伝送モデルを提供した。伝統的なセルラー資源とD2D資源をいかに合理的かつ十分に利用するか、さらに周波数スペクトルや出力などの資源をいかに有効に分配するかは、D2D通信にとって非常に重要となる。一方で、D2D通信はユーザーにより多くの自由度をもたらした。専用の資源を利用できると同時に、BS中継リンクを多重利用してエネルギーを節約し、周波数スペクトル資源を多重利用して通信方式を多様化し、資源利用率をさらに高めることができる。もう一方では、D2D通信と伝統的な通信方式の共存という状況は、D2Dユーザーと伝統的なセルラーユーザーの間の干渉をもたらした。これには、セルラー内の干渉とセルラー間の干渉が含まれる。このためD2Dと伝統方式の間での柔軟な切り換えをいかに十分に合理的に行い、通信のQoSを高め、システム資源を合理的に分配し、ユーザー間の干渉を避けるかが、D2D通信資源分配技術が解决しなければならない重大な問題となる。また干渉管理の有効性もD2D技術の優位性の顕在化と利用に関係し、重要な意義を持っている。本稿では、資源分配の研究を2種類に分けた。一つは、干渉管理に向けた資源分配の研究であり、もう一つは、QoS伝送に向けた資源分配の研究である。

1）干渉管理

　D2D通信の資源分配と干渉分析の面では、中国内外で多くの研究プランが存在する。出力制御は、直接的に干渉を制限する方法である。あるチャンネルが同時に多くのユーザーによって多重化されると、リンク間の相互干渉が起こることから、出力制御によって通信速度を最大化することが非凸問題となる。この問題の解を求めることは現在まで依然として未解決の問題となっている。文献[34]は、この問題を簡潔な2進整数計画問題としてモデリングした。だが整数計画は依然としてNP困難問題である。同論文は、Canonical双対理論を利用して双対形式を導いた。この双対問題は連続域内の凸問題であり、特定の条件の下で、双対問題の解を求めることによって元の問題の最適解を得ることができる。文献［35］は、ネットワーク全体のスループットに基づく最適出力制御とモデル転換方法を提出し、干渉管理を行った。文献［36］は、固定出力マージンストラテジーによるD2Dと通常セルラーユーザー（RCU、regular cellular user）との干渉の協調を打ち出した。D2Dデバイスは、出力マージン範囲の識別を通じて、自身の伝送出力を調整し、最小信号対干渉比SINRのニーズを満たした。この方式は実現が簡単だが、適切な出力マージンの確定が難しい。高いマージン値は、D2Dと資源を共有する伝統セルラーユーザーの数量を減少させ、低いマージン値は、D2Dユーザーが最小SINRを満たす確率を下げる。JPRBAアルゴリズム［37］は、マルチユーザーD2DダウンLTE-Aネットワークのマルチセルラー内とセルラー間の干渉管理の問題を区別し、それぞれのD2Dの発送機に出力制御と資源分配のベクトルを導入した。このベクトルは、それぞれのD2Dリンクに適切な多重化資源の塊を選択することができる。適切なベクトル値を獲得するために、同アルゴリズムは、グループスパース構造を導入し、政策決定と値の最大化問題の解決がはかられた。文献［38］は、ネットワーク全体の性能に基づき、ネットワークデバイスの総伝送出力を最小化する強制的な最適化プランを構築し、D2DとセルラーユーザーのQoSのニーズを保証すると同時に、相互間の干渉を一定範囲に制御した。粒子群最適化に基づく出力分配プランも、D2D通信において実現されている［39］。D2Dに基づくLETネットワークにおいては、干渉管理は、時間と周波数の同期問題を解決し、セルラー内とセルラー間の干渉を回避する必要がある［40］。車のインターネットにおいても出力制御を利用した干渉回避がよく見られる解决プランとなっている。文献［41］は、車両の地理的な位置を利用し、D2D-Vehicularをグループ分けし、潜在的な5·D2D-Vehicularリンクをスパース化し、多重化チャンネルの選択と出力制御を利用し、車両間の相互干渉を減少させた。

2）QoS保証ストラテジー

　D2D資源配置技術は、デバイス間の干渉を管理できるだけでなく、より重要なのは、全ネットワークの性能を最適化するものとなる点である。一方では、ある特性のニーズにおける通信性能を満たし、もう一方では、合理的な資源配置を通じて、ネットワークのQoS向上という目的を全面的に実現する。ネットワークのさまざまなチャンネルモデル下（共有チャンネル、直交チャンネル）のディレイのQoSのニーズと影響の分析を通じて、方向性のある出力分配プランを提出し、QoSニーズの統計を土台として、与えられたディレイのQoS制限下における最大ネットワークスループットの獲得という目的を実現することができる［42］。文献［43］は、D2D通信制限区域とD2Dユーザー制限多重化セルラーユーザー資源区域という概念を提起し、セルラーシステムのサービスの質のニーズの保証とシステムの性能の向上のため、非線形計画問題における乗数法を用いてD2DユーザーとCUEの最良の発射出力を確定し、システムのスループットを最大化したものである。JPAMS［44］は、さまざまなQoS制限のニーズを満たしたD2Dとセルラーリンクの最小出力を導き出し、出力配置に基づき理想的でないCSIの状況下でモデル選択を行った。文献［45］は、改良ポーショナルフェアネス（IPF）干渉制御プランを打ち出し、セルラーユーザーとD2Dユーザーのサービスの質の需要の保証という前提の下、それぞれのD2Dデバイスペアに最良のセルラーユーザーを選択し、周波数スペクトル資源を共有した。IPFプランはそれまでのプランと比べ、セルラーシステムの公平性とスループットを有効に改善することができる。D2Dに基づくセルラーネットワークのヘテロジニアスな応用においては、応用のQoSニーズに基づいて資源と出力分配を行うことができる。文献［46］は、データフロータイプとドキュメント共有という2種類の異なる応用タイプを分析し、最適化プランを提出してD2Dとセルラー通信の共有資源を協調した。このプランは、多くのさまざまな応用タイプの状況へとさらに拡張することができる。安全性のニーズは資源配置に基づいても実現できる。文献［47］は、人工雑音による補助に基づくD2Dヘテロジニアスセルラー安全通信方法を提起し、システムが秘密速度に達するモデルを構築し、その後、基地局のセルラー通信信号に人工雑音を加え、システムの秘密速度の最大化を目標として、セルラーユーザーの希望信号と人工雑音の波動ビームベクトルを設計し、しかも公平性の制約に基づき、基地局の出力分配、希望信号のコーディングベクトル、D2D出力制御の連合最適化アルゴリズムを提起した。システムの保密速度は最高で2.7bit/（s·Hz）まで高まることができる。

3）モデルの切換とオフロードメカニズム

　オフロード（offloading）という発想の元は、異なる無線技術を既存のモバイルネットワークに融合させ、未使用の帯域幅を十分に利用し、セルラーネットワークを通じて伝送しようとするデータをその他の無線ネットワークに移転し、セルラーネットワークの圧力を緩和することにある。D2Dネットワークにおいては、D2D通信と伝統的なセルラー通信の2種類のモデルが同時に存在する。それらの間は、相互に協調すると同時に、相互に競争・干渉する。そのため二者の間をいかに適宜に切り換え、通信データの有効で合理的なオフロードを行い、干渉を最小化し、システムの性能を最大化するかが、D2D通信とこの技術に基づく多様なネットワークが協調をはからなければならない問題となる。近年、オフロード問題は、産業界と学術界の広範な研究と検討を促し、関連する学者は、オフロードを解決する有効な方法を異なる角度から探している。研究初期においては、多くの学者がモバイルエージェントまたは転送ノード増加の方法でD2Dオフロードの潜在的な機会を高める試みを行った［48,49］。代理ノードはセルラー基地局からマルチメディアのコンテンツを取得し、Wi-Fiマルチキャストからその他の興味を持つノードに転送し、ソーシャルネットワークを利用して端末ユーザー間の接触モデルを分析し、適切な転送ノードセットを選択した。Valerioらは、さらに直接的にオフロードにおいてオポチュニスティックネットワークを借り［50］、転送する内容のコピーをオポチュニスティックネットワークに注入し、データのユーザーエンドへの有効な到達を確保した。このような研究の実質は、ユーザーの移動の重復性と流動の周期性を通じたD2Dの確立範囲の拡大であり、現在のネットワークのオフロード機会を有効に増加できるが、未来のネットワークの超低遅延のニーズを満たすことは難しい。

　研究活動の深化に伴い、一部の学者はグローバルな角度からD2Dオフロードのデバイス検出や連結確立などの問題を考慮し、グローバルとローカル、ノーネットワークカバーに向けた統一デバイス検出プランを出現させた［51］。さらにある研究成果は、オフロードがもたらすネットワーク性能ゲインを利用し、オフロードストラテジーの実現のディテールのさらなる最適化をはかった［52］。タイムスロットスケジューリングアルゴリズム［53］は、タイムスロット上で相似した周波数資源のD2Dリンクをスケジューリングできる。このようにすれば、周波数の相似したD2Dリンクのタイムスロットのポーショナルフェアネスを得ることができる。文献［54］は、D2D中継システム総レートを最大化するランダム最適化アルゴリズムを提起した。それぞれのUEの平均データ率の最小化のニーズを満たし、オポチュニティスケジューリングアルゴリズムと複雑度の低い発見的アルゴリズムを提出した。文献［55］は、ユーザー最適ポーショナルフェアネスを最大化するスケジューリングアルゴリズムを提言した。文献［56］は、ゲーム理論を利用して、D2Dとセルラーネットワークのチャンネル競合問題を解決した。文献［57］は、大規模ユーザーの基地局スケジューリングをターゲットとし、この問題を最大フロー問題とした。文献［58］は、グローバルなエネルギー有効性の最大化を目的とし、同時に、電気回路の出力消耗とすべてのユーザーのQoSのニーズを考慮し、専用モデルと多重化モデル、セルラーモデルの3種の伝送モデルを考えた。さらにパラメーターDinkelbach法と凹凸過程を取り、連続凸近似を通じて伝統的な最適化方法を管理のより簡単なモデルに転化し、最後に内点法を利用して解を求めた。文献［59］は、ユーザーの利己性を考慮し、ゲームアルゴリズムの交差によって利己的な振る舞いの動的パラメーターを取得し、ユーザーの効用関数を提起し、ネットワークを安定させる収束条件を示した。これに基づき、ユーザーが履歴に基づいてD2D共有ストラテジーを確定できる交差アルゴリズムを構築した。文献［60］は、D2D通信の混合モデルを提言した。D2Dリンクは、複数のモデルの多重化という条件の下で稼働することができる。加重D2D総レートの最大化という前提の下、非凸セルラー出力制限とチャンネル分配のバイナリー制限に基づき、エネルギー分裂変数に基づくツーステップのアクセスストラテジーを提起し、混合モデルの分配と資源配置のそれぞれの最適化を可能とした。現在の研究は、セルラーネットワークのオフロードスケジューリングストラテジーの研究に一定の理論的な土台を築いた。だが多くの研究は、理想的なネットワーク環境と予測分布の下に構築され、未来のモバイルネットワークのヘテロジニアス性や業務の多様性、ユーザープレーンの超低遅延体験などのニーズを考慮していない。未来の研究は、異なる業務に基づくセルラーネットワークエネルギー効率モデルを通じて、D2Dオフロードネットワークとセルラーネットワークの緊密に結合し、グローバルで統一的なネットワーク制御メカニズムを設計してD2Dネットワークスケジューリングストラテジーの実施を補助し、D2D通信の近隣検出や資源分配などの多くの難題を解決し、最終的に、未来のモバイルネットワークに整備された柔軟なD2Dオフロード体系を提供するものとなる。

2.3 D2Dキャッシュネットワーク

　無線ネットワークデータが急増する中、未来の通信における高速度で低ディレイのデータ伝送のニーズを満たすためには、映像フローのアクセスが無線ネットワークのニーズと試練を増やした状況にあってはとりわけ、キャッシュ技術が、この問題を解決する重要な手段の一つとなる。専用のデバイスメモリまたはネットワークに分散された専用の補助ノードを通じてメモリを行う。中等密度の都市地区を仮定すると、各ユーザーの映像ニーズは、ローカルネットワークバッファを通じて満たされ、ハイスループットを占有してコアネットワークにリターンする必要がない。こうしたリターンは、ネットワークの大きな問題であり、ハイコストや不柔軟などの欠点をもたらすものとなる。このため無線D2Dネットワークにおいては、キャッシュ技術の研究が、高速度・高スループット業務が依存する主要技術となる。現在、キャッシュ技術の研究は主に、最適化アルゴリズム、情報論に基づくキャッシュ研究と性能分析、移動性などの面に集中している。最適化アルゴリズムの面では主に、ダウンロード時間の最小化や最大スループットなどのキャッシュ目標に基づき、これを土台として、キャッシュ問題を最適化問題としてモデリングし、解が求められた［61］。文献［62,63］は、情報論に基づく関連研究であり、ワンホップD2D通信ネットワーク中のユーザーエンドのキャッシュ問題を研究した。ネットワークは、n個のユーザーノードから構成され、それぞれは一つのドキュメントライブラリ―のm個のドキュメント中のM個を保存し、ランダムキャッシュストラテジーと干渉回避伝送を通じて、空間多重化を結合する事により、リンクを空間上で分離させることができる。このためこれらのリンクは同時に活性化状態にあることができる。n，m→∞，nM>>mであることから、各ユーザーのスループットはであり、中断率は低頻度事象としてコントロールし、D2D無線ネットワークの性能を保証し向上させることができる。文献［64］は、一種の簡潔な形式によって、キャッシュに基づく無線ネットワークスループットスケーリング則研究と非同期多重化ストラテジーを提案した。移動性の面では、関連研究が、移動性のモデリングとキャッシュに対する移動性の影響などの面からそれぞれ研究した。このほか、基地局のキャッシュ空間の増加を通じてシステムの帯域幅を節約し、システムの性能を大幅に高めることができる［65］。

2.4 D2DとMIMO技術

　LTE-Aとその他の一部のシステムにおいては、ユーザー端末がマルチアンテナを備えており、D2Dユーザーと伝統セルラーユーザーRCUは時間周波数資源を多重化し、同時伝送を実現することができる。システムのロバスト性と容量はいずれも増強・改善される。このためD2D-MIMO伝送ストラテジーを研究し、無線チャンネル資源を十分に利用することは、広範な価値を備えている。D2DとMIMO技術の研究は主に、受信機の設計の面に集中している。マルチユーザーが増加する中、D2Dユーザーとセルラーユーザーの間の干渉も、ユーザー数の増加に伴い、さらに複雑となっている。D2D-MIMOの基本構造は図2に示す通りである。マルチユーザーの存在から、異なるD2DリンクとD2Dとセルラーユーザーの通信間には干渉が存在することとなる。このほか同一のセルラーエリアにいない2つのユーザーがある受信D2Dデバイスに情報を同時に発信する時には、衝突などの干渉問題も存在する。このため受信機の設計の研究が重要となり、中国内外の多くの研究者の注目を引きつけ、豊富な成果が生まれている。文献［66］は、D2D-MIMOシステム端末のD2Dユーザーのセルラーダウン資源の多重化をターゲットとした。基地局は、D2D受信機の干渉が比較的深刻であるという問題に対し、コーディングストラテジーによって干渉を抑制した。文献［67］は、最小平均二乗誤差に基づき、プレコーディングデコーダーを設計し、さらに分布式と集中式のアルゴリズムを設計し、D2Dとセルラーユーザーの双方向の通信干渉を減少させた。大規模MIMOのマルチユーザー伝送も、セルラーとD2Dの間の干渉を増加させ得る。文献[68]は、大規模MIMOとD2Dネットワークのマルチセルラーに関係する設計上の影響を分析した。文献［69］は、D2DとRCUの伝送率を最大化する受信機を設計し、連続二次計画を利用して、最適な伝送プレコーディングとデコーダーを探求した。

図2　D2D-MIMOの構造と原理

（その３へつづく）

※本稿は銭志鴻，王雪「面向5G通信網的D2D技術綜述」（『通信学報』第37卷第7期、2016年7月、pp.1-14）を（『通信学報』編集部の許可を得て日本語訳・転載したものである。記事提供：同方知網（北京）技術有限公司