[論文レビュー] A Decentralized Method for Joint Admission Control and Beamforming in Coordinated Multicell Downlink

Hoi-To Wai, Wing‐Kin Ma|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2012

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 11被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、協調マルチセルMISOダウンリンクシステムにおける分散型の共同入室制御およびビームフォーミング（JACoB）手法を提案する。組み合わせ最適化問題を凸化するためのℓ₁近似を用い、ブロック座標降下法（BCD）を用いて各基地局ごとの最適化を可能にした。この手法は、中央集権的アプローチと同等の性能を達成し、収束が速くバックハール信号伝送量も削減される。シミュレーションにより、事前スクリーニングを施すことで近似的に最適なユーザー入室が達成され、反復回数も効率的であることが検証された。

ABSTRACT

In cellular networks, admission control and beamforming optimization are intertwined problems. While beamforming optimization aims at satisfying users' quality-of-service (QoS) requirements or improving the QoS levels, admission control looks at how a subset of users should be selected so that the beamforming optimization problem can yield a reasonable solution in terms of the QoS levels provided. However, in order to simplify the design, the two problems are usually seen as separate problems. This paper considers joint admission control and beamforming (JACoB) under a coordinated multicell MISO downlink scenario. We formulate JACoB as a user number maximization problem, where selected users are guaranteed to receive the QoS levels they requested. The formulated problem is combinatorial and hard, and we derive a convex approximation to the problem. A merit of our convex approximation formulation is that it can be easily decomposed for per-base-station decentralized optimization, namely, via block coordinate decent. The efficacy of the proposed decentralized method is demonstrated by simulation results.

研究の動機と目的

• 協調マルチセルダウンリンクシステムにおける入室制御とビームフォーミングの複雑な相互作用に取り組み、共同最適化によりスペクトル効率とQoSを向上させること。
• QoS制約下でのユーザー数最大化問題として、共同入室制御とビームフォーミング（JACoB）を定式化すること。これは本質的に組み合わせ最適化問題であり、NP困難である。
• ブロック座標降下法（BCD）を用いた分散実装を可能にするために、JACoB問題の凸近似を構築すること。
• 中央集権的調整なしに各基地局ごとの最適化を可能にすることで、バックハール信号伝送量と計算負荷を低減すること。
• 事前スクリーニング手順を用いることで、反復回数を著しく削減し、分散型JACoB手法が中央集権的ソリューションに近い性能を達成することを示すこと。

提案手法

• SINR制約付きのユーザー数最大化問題としてJACoBを定式化し、組み合わせ的ユーザー選択を凸なℓ₁近似で置き換える。
• ブロック座標降下法（BCD）を適用して問題を各基地局ごとのサブ問題に分解し、分散最適化を可能にする。
• 干渉行列の最小固有値が小さいユーザーを事前に除外するスクリーニング手順を導入し、BCD反復前の探索空間を縮小する。
• 「縮小ヒューリスティック」を採用：反復的に凸BCDサブ問題を解き、双対変数が最大のユーザー（tq⋆）を削除し、これ以上適切なビームフォーミングが得られなくなるまで繰り返す。
• 最適解行列（Wq⋆）のランク1分解を用いて、SINR要件を満たすビームフォーミングベクトルを回復する。
• ℓ₁近似をBCDフレームワークと統合することで、分散環境下でも凸性と収束保証を維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共同入室制御とビームフォーミング（JACoB）問題の凸近似は、協調マルチセルMISOダウンリンクシステムにおける分散実装を可能にするか？
• RQ2 提案手法の分散型JACoBの性能は、中央集権的アプローチと比較して、入室ユーザー数と収束速度の点でどの程度優れているか？
• RQ3 事前スクリーニング手順は、分散型JACoBフレームワークにおけるBCD反復回数とバックハール信号伝送量をどの程度削減するか？
• RQ4 ℓ₁近似アプローチは、分散最適化を可能にしつつ、近似的に最適なユーザー入室を維持できるか？
• RQ5 提案手法は、ネットワーク全体の協調制御を必要とせずに、中央集権的SDRベース手法と同等の性能を達成できるか？

主な発見

• 提案された分散型JACoB手法は、特に高SINR領域において中央集権的手法と同等の合計入室ユーザー数を達成した。
• 事前スクリーニングを施した場合、SINR閾値12 dBでは平均BCD反復回数が53.08に、20 dBでは31.03にまで低下した。これに対して、事前スクリーニングなしではそれぞれ61.79および59.29であった。
• 反復回数の削減に伴い、バックハール信号伝送負荷が顕著に低減された。これは、総反復回数がバックハールオーバーヘッドに直接比例するためである。
• 単一セルの縮小法との性能差は、ビームフォーミングと入室制御におけるセル間協調の有効性を裏付けている。
• ℓ₁近似により凸で分解可能な定式化が可能となり、従来の中央集権的SDRベース手法とは異なり、BCDを用いた効率的な分散実装が可能となった。
• 事前スクリーニングを施した縮小ヒューリスティックは高速に収束し、高いユーザー入室率を維持することができ、実時間導入の実用的妥当性を示した。