[論文レビュー] A Utility-Based Approach to Power Control and Receiver Design in Wireless Data Networks

Farhad Meshkati, H. Vincent Poor+2 more|ArXiv.org|Jul 5, 2005

Wireless Communication Networks Research参考文献 22被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、DS-CDMA上行リンクネットワークにおける連携電力制御と受信機選択のためのゲーム理論的フレームワークを提案する。ユーザーは独立して送信電力を最適化し、受信機タイプ（一致フィルタ、デコリエーティング、MMSE）を選択することで、エネルギー効率（ビット/ジュール）を最大化する。主な結果として、ナッシュ均衡がすべてのユーザーで等しい出力信号対インタリーレンス＋ノイズ比（SIR）を達成するSIRバランスを実現し、MMSE受信機が最も高いエネルギー効率を達成する。複数受信アンテナとユーティリティベースのアドミッション制御による顕著な利得が得られる。

ABSTRACT

In this work, the cross-layer design problem of joint multiuser detection and power control is studied using a game-theoretic approach. The uplink of a direct-sequence code division multiple access (DS-CDMA) data network is considered and a non-cooperative game is proposed in which users in the network are allowed to choose their uplink receivers as well as their transmit powers to maximize their own utilities. The utility function measures the number of reliable bits transmitted by the user per joule of energy consumed. Focusing on linear receivers, the Nash equilibrium for the proposed game is derived. It is shown that the equilibrium is one where the powers are SIR-balanced with the minimum mean square error (MMSE) detector as the receiver. In addition, this framework is used to study power control games for the matched filter, the decorrelator, and the MMSE detector; and the receivers' performance is compared in terms of the utilities achieved at equilibrium (in bits/Joule). The optimal cooperative solution is also discussed and compared with the non-cooperative approach. Extensions of the results to the case of multiple receive antennas are also presented. In addition, an admission control scheme based on maximizing the total utility in the network is proposed.

研究の動機と目的

• 上行リンクDS-CDMAネットワークにおける連携電力制御とマルチユーザー検出のクロスレイヤー設計問題に対処すること。
• ユーザー行動を非協力ゲームとしてモデル化し、ユーザーが送信電力と受信機タイプを選び、個々のユーティリティ（ビット/ジュール）を最大化すること。
• ゲームのナッシュ均衡を分析し、一致フィルター、デコリエーティング、MMSEなどの異なる線形受信機の性能を比較すること。
• 複数受信アンテナの利得を定量化し、ユーティリティ最大化のためのアドミッション制御方式を開発すること。
• 非協力ゲーム理論的解法と最適な協力的（集中型）解法との間で、エネルギー効率とシステム容量の観点から性能を比較すること。

提案手法

• 各ユーザーが送信電力と受信機タイプを選択し、エネルギーあたりのビット数を測るユーティリティ関数を最大化する非協力ゲームを定式化する。
• 線形受信機のナッシュ均衡を導出し、均衡がすべてのユーザーで等しい出力SIRを達成するSIRバランスに対応することを示す。
• 大システム解析を用いて、一致フィルター、デコリエーティング、MMSE受信機の均衡ユーティリティの閉形式表現を導出する。
• 複数アンテナ上行リンク受信機へのフレームワークの拡張を行い、電力のプール効果と干渉低減効果をモデル化する。
• ユーザー負荷と分布を最適化することで、ネットワーク全体のユーティリティを最大化するユーティリティ最大化アドミッション制御方式を提案する。
• 非協力均衡とパレート最適な協力的解法を比較し、効率損失とシステム性能のトレードオフを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ユーザーが分散的・非協力的に送信電力と受信機タイプを同時に最適化する場合、均衡状態での行動はどのように振る舞うか？
• RQ2 受信機の選択（一致フィルター、デコリエーティング、MMSE）が、均衡状態でのエネルギー効率（ユーティリティ）に与える影響は何か？
• RQ3 複数受信アンテナを用いることで、ユーティリティとシステム容量の観点でどの程度の性能向上が得られるか？
• RQ4 非協力ゲーム理論的解法と最適な協力的解法の間で、総ユーティリティとユーザーの公平性の観点から、性能はどのように比較されるか？
• RQ5 従来の負荷ベースアドミッション制御を上回る、ユーザー数とエネルギー効率の両面で優れた性能を発揮するユーティリティ最大化アドミッション制御方式を設計可能か？

主な発見

• 提案されたゲームのナッシュ均衡は、ユーザーがどの受信機タイプを使用しても、すべてのユーザーが同じ出力SIRを達成するSIRバランス解である。
• MMSE受信機は、均衡状態で最高のユーティリティ（ビット/ジュール）を達成し、一致フィルターおよびデコリエーティングを著しく上回る。
• 2本の受信アンテナを用いる場合、MMSE受信機の平均ユーティリティは著しく向上し、一致フィルターおよびデコリエーティングよりも顕著な利得が得られる。
• MMSE受信機において、提案されたユーティリティ最大化アドミッション制御方式により、許容可能なユーザー数は、一致フィルターとデコリエーティングの合計ユーザー数以上である。
• 非協力解と協力的解との間の性能差は、デコリエーティングおよびMMSE受信機では最小限に抑えられ、一致フィルターのみが顕著な差を示す。
• 総ユーティリティを最大化するシステム負荷は58％（Γ = 0.5）であり、ネットワーク内の最適なユーザー分布と負荷バランスに対応する。