The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences (한국통신학회논문지)

The Korean Institute of Commucations and Information Sciences (한국통신학회)
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

Feasibility of Massive Device-to-Device Communications in Cellular Networks

셀룰러 네트워크에서의 대규모 D2D 통신의 실현 가능성 연구

  • 황영주 (연세대학교 전기전자공학부 무선자원최적화 연구실) ;
  • 성기원 ;
  • 김성륜 (연세대학교 전기전자공학부 무선자원최적화 연구실)
  • Received : 2012.11.09
  • Accepted : 2012.12.04
  • Published : 2012.12.28
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

Device-to-device (D2D) communication is expected to offer local area services with low transmit power and short link distance, even not via any infrastructures. These advantages will lead to the deployment of D2D systems in a massive scale, where the order of magnitude of D2D user density is higher than that of cellular user density. Network-assisted D2D systems, where D2D resources are managed by cellular networks, are unable to support the large number of D2D devices, due to the signaling overhead for control signals. In this case, no coordination can be an answer. This paper considers uncoordinated D2D systems, which is implemented with a number of D2D devices in a large scale. By analyzing the transmission capacity of D2D systems, we found a feasibility condition under which the uncoordinated D2D communications possibly coexist within cellular networks, sharing the uplink spectrum. In addition, we provide guidelines for the operational points of massive D2D communications, giving some knowledge about proper transmit power level and link distance of uncoordinated D2D.

Device-to-device (D2D) 통신은 짧은 전송 거리를 적은 전송 전력으로 인프라를 거치지 않고 직접 통신하여 근거리 서비스를 제공할 수 있는 통신 방법으로 기대되고 있다. 이러한 장점들로 인해, 대규모 D2D 시스템에 대한 수요가 존재할 것이다. D2D 통신 자원이 셀룰러 망에 의해 관리되는 네트워크 지원형 D2D 시스템은 제어 신호를 위한 시그널링 오버헤드 때문에 많은 수의 D2D 기기들을 지원하는 것이 불가능하다. 이런 경우에는 오히려 네트워크 조정을 전혀 하지 않는 것이 하나의 해결책이 될 수 있다. 본 논문에서는 이러한 uncoordinated D2D 시스템을 고려하는데, 이는 많은 수의 D2D 기기들이 대규모로 배치되어 네트워크 조정 없이 동작하는 D2D 시스템을 의미한다. D2D 시스템의 전송 용량을 분석하여, uncoordinated D2D 시스템이 셀룰러 네트워크 내에서 상향링크 스펙트럼을 공유하면서 공존할 수 있는 타당성 조건을 도출한다. 또한, 이러한 D2D 시스템의 적절한 전송 전력 수준 및 링크 거리에 관한 연구 결과를 제시함으로써, 대규모 D2D 통신의 운용점에 관한 가이드라인을 제공한다.

Keywords

Acknowledgement

Supported by : 방송통신위원회

References

  1. M. S. Corson, R. Laroia, J. Li, V. Park, T. Richardson, and G. Tsirtsis, "Toward proximity-aware internetworking," IEEE Wireless Commun., vol. 17, no. 6, pp. 26-33, Dec. 2010.
  2. G. Fodor, E. Dahlman, G. Mildh, S. Parkvall, N. Reider, G.. Miklόs, and Z. Turάnyi, "Design aspects of network assisted device-to-device communications," IEEE Commun. Mag., vol. 50, no. 3, pp. 170-177, Mar. 2012.
  3. Hyunkee Min, Woohyun Seo, Sungsoo Park, and Daesik Hong, "Outage probability of the device-to-device communication according to the interference-to-signal-ratio generated by cellular networks," Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea, vol. 48-TC, no. 1, pp. 55-61, Jan. 2011.
  4. K. Doppler, M. Rinne, C. Wijting, C. Ribeiro, and K. Hugl, "Device-to-device communication as an underlay to LTE-advanced networks". IEEE Commun. Mag., vol. 47, no. 12, pp. 42-49, Dec. 2009.
  5. C. H. Yu, K. Doppler, C. Ribeiro, and O. Tirkkonen, "Resource sharing optimization for device-to-device communication underlaying cellular networks," IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 10, no. 8, pp. 2752-2763. Aug. 2011. https://doi.org/10.1109/TWC.2011.060811.102120
  6. S. Hakola, T. Chen, J. Lehtomaki, and T. Koskela, "Device-to-device (D2D) communications in cellular network - performance analysis of optimum and practical communication mode selection," in Proc. IEEE WCNC, Sydney, Australia, Apr. 2011.
  7. P. Jänis, V. Koivunen, C. Ribeiro, J. Korhonen, K. Doppler, and K. Hugl, "Interference-aware resource allocation for device-to-device radio underlaying cellular networks," in Proc. IEEE VTC Spring, Barcelona, Spain, Apr. 2009.
  8. J. G. Andrews, F. Baccelli, and R. K. Ganti, "A tractable approach to coverage and rate in cellular networks," IEEE Trans. Commun., vol. 59, no. 11, pp. 3122-3134, Nov. 2011. https://doi.org/10.1109/TCOMM.2011.100411.100541
  9. T. D. Novlan, H. S. Dhillon, and J. G. Andrews, "Analytical modeling of uplink cellular networks," submitted to IEEE Trans. Wireless Commun. (2012), Retrieved Nov., 29, 2012, from http://arxiv.org/abs/1203.1304.
  10. F. Baccelli, M. Klein, M. Lebourges, and S. Zuyev, "Stochastic geometry and architecture of communication networks," J. Telecommun. Syst., vol. 7, no. 1, pp. 209-227, Jun. 1997. https://doi.org/10.1023/A:1019172312328
  11. T. X. Brown, "Cellular performance bounds via shotgun cellular systems," IEEE J. Sel. Area. Commun., vol. 18, no. 11, pp. 2443-2455, Nov. 2000. https://doi.org/10.1109/49.895048
  12. H. S. Dhillon, R. K. Ganti, F. Baccelli, and J. G. Andrews, "Modeling and analysis of K-tier downlink heterogeneous cellular networks," IEEE J. Sel. Area. Commun., vol. 30, no. 3, pp. 550-560, Apr. 2012. https://doi.org/10.1109/JSAC.2012.120405
  13. D. Stoyan, W. Kendall, and J. Mecke, Stochastic geometry and its applications, 2nd Ed., John Wiley and Sons, 1996.
  14. J. G. Andrews, R. K. Ganti, M. Haenggi, N. Jindal, and S. Weber, "A Primer on spatial modeling and analysis in wireless networks," IEEE Commun. Mag. vol. 48, no. 11, pp. 156-163, Nov. 2010.
  15. S. Weber, J. G. Andrews, and N. Jindal, "An overview of the transmission capacity of wireless networks," IEEE Trans. Commun. vol. 58, no. 12, pp. 3593-3604, Dec. 2010. https://doi.org/10.1109/TCOMM.2010.093010.090478