Direct communication among user equipments, called Device-to-Device (D2D) communication, is envisioned in academia and industry to enhance future cellular networks for increased spectral efficiency. Mode selection considers the question which links should be offloaded to use direct communication mode and is one of the core questions in D2D research. In this work, we ask the question which information needs to be exchanged between a remote mode selection controller and Medium Access Control (MAC) layer to allow optimal operation without the burden of a full-fledged cross-layer optimization. We formulate mode selection as utility maximization with cross-layer decomposition and solve it using the Generalized Benders Decomposition technique. The result is a nested offloading structure, in which the network controller regularly updates its mode selection decision while in the meantime, the network operates in a particular fashion, gathering information to enable better future mode selection decisions. We show that the proposed structure allows achieving an optimal mode selection configuration within a finite number of optimization steps for any non-negative utility function. Due to our general network model, the solution is applicable to a variety of system set-ups, including overlay and underlay D2D, with and without power control and single or multi-antenna systems.

中文翻译：

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D2D蜂窝网络中跨层分解的最优模式选择

用户设备之间的直接通信，称为设备到设备 (D2D) 通信，在学术界和工业界都被设想为增强未来的蜂窝网络以提高频谱效率。模式选择考虑的是应该卸载哪些链路以使用直接通信模式的问题，是D2D研究的核心问题之一。在这项工作中，我们询问需要在远程模式选择控制器和媒体访问控制 (MAC) 层之间交换哪些信息才能实现最佳操作，而无需承担全面的跨层优化负担。我们将模式选择公式化为具有跨层分解的效用最大化，并使用广义 Benders 分解技术解决它。结果是一个嵌套的卸载结构，其中网络控制器定期更新其模式选择决策，同时网络以特定方式运行，收集信息以实现更好的未来模式选择决策。我们表明，所提出的结构允许在有限数量的优化步骤内为任何非负效用函数实现最佳模式选择配置。由于我们的通用网络模型，该解决方案适用于各种系统设置，包括覆盖和底层 D2D，有和没有功率控制以及单天线或多天线系统。我们表明，所提出的结构允许在有限数量的优化步骤内为任何非负效用函数实现最佳模式选择配置。由于我们的通用网络模型，该解决方案适用于各种系统设置，包括覆盖和底层 D2D，有和没有功率控制以及单天线或多天线系统。我们表明，所提出的结构允许在有限数量的优化步骤内为任何非负效用函数实现最佳模式选择配置。由于我们的通用网络模型，该解决方案适用于各种系统设置，包括覆盖和底层 D2D，有和没有功率控制以及单天线或多天线系统。