[論文レビュー] A Utility Proportional Fairness Resource Allocation in Spectrally Radar-Coexistent Cellular Networks

Mo Ghorbanzadeh, Ahmed Abdelhadi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2014

Wireless Communication Networks Research参考文献 9被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、スプライスコexistentな無線通信網とレーダー網の間で、利用効用比例公平なリソース割り当てを実現する2段階の凸最適化フレームワークを提案する。最初の段階では、干渉しないセクタにレーダー周波数帯域を割り当て、2番目の段階では残りの周波数帯域をすべてのセクタに割り当てることで、干渉を回避し、公平性を確保する。シミュレーションの結果、レーダーが近くにあっても、データレートの割り当てがバランスしていることが示された。

ABSTRACT

Spectrum sharing is an elegant solution to addressing the scarcity of the bandwidth for wireless communications systems. This research studies the feasibility of sharing the spectrum between sectorized cellular systems and stationary radars interfering with certain sectors of the communications infrastructure. It also explores allocating optimal resources to mobile devices in order to provide with the quality of service for all running applications whilst growing the communications network spectrally coexistent with the radar systems. The rate allocation problem is formulated as two convex optimizations, where the radar-interfering sector assignments are extracted from the portion of the spectrum non-overlapping with the radar operating frequency. Such a double-stage resource allocation procedure inherits the fairness into the rate allocation scheme by first assigning the spectrally radar-overlapping resources.

研究の動機と目的

• 高出力レーダーと無線通信網の間で干渉を回避する周波数共存の課題に対処する。
• レーダー周波数帯域を共有する無線通信網において、リアルタイムおよび遅延耐性アプリケーションの両方のサービス品質（QoS）を保証する。
• 干渉するセクタの初期リソース除外を補償することで、公平性を維持するリソース割り当て方式を開発する。
• 最初に干渉しないセクタにレーダー周波数帯域を割り当て、次に残りの帯域をすべてのセクタに割り当てる2段階の最適化を定式化する。

提案手法

• グローバル最適性と公平性を保証するために、データレート割り当て問題を2つの凸最適化問題に定式化する。
• 遅延耐性アプリケーションをモデル化するためのシグモイド関数と、リアルタイムアプリケーションをモデル化するための対数関数を用いる。
• 2段階の割り当てを実装：段階1では、干渉しないセクタにのみレーダー隣接帯域を割り当てる（干渉するセクタは除く）。段階2では、重複しない通信帯域をすべてのセクタに割り当てる。
• 凸最適化問題を効率的に解くために、ラグランジュ緩和とデュアル分解技術を適用する。
• 段階1において、干渉するセクタをレーダー帯域割り当ての対象から除外することで、レーダー干渉制約を統合する。
• 段階2で干渉するセクタにより多くのリソースを割り当てることで、初期除外の補償を実現し、公平性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 無線通信網とレーダー間で、有害な干渉を引き起こさずに周波数帯域を共有する方法は何か？
• RQ2 多様なアプリケーションタイプ（リアルタイムおよび遅延耐性）を備えた共存システムにおいて、リソース割り当てを最適化する方法は何か？
• RQ3 2段階の割り当て方式は、レーダー運用への干渉を回避しながら公平性を確保できるか？
• RQ4 レーダーの近接度が、干渉する無線通信セクタの実現可能なデータレートに与える影響は何か？
• RQ5 非共存割り当てと比較して、提案手法は公平性およびレート分布の観点でどのように異なるか？

主な発見

• 提案された2段階方式は、段階1で干渉しないセクタにのみレーダー周波数帯域を割り当てることで、干渉を効果的に回避した。
• 干渉する（赤色）セクタは段階1でレート割り当てがゼロであるが、補償的割り当てのおかげで段階2で急激にレートが上昇した。
• 段階2が開始されて以降、すべてのセクタのレートがほぼ同じように上昇し、初期除外にもかかわらず公平な分配が実現していることが示された。
• 合計レート250単位の時点で、レーダー干渉セクタ（R_comm^3）は通信帯域から50帯域単位を受信したが、これは200単位の閾値に達してからである。
• 一方、レーダー共存がない場合、干渉セクタは初期段階から帯域を受信しており、割り当て行動に根本的な差が生じていることがわかった。
• シミュレーション結果から、本方式が公平性とQoSを維持するとともに、レーダーシステムとの周波数共存を確実に実現できることを確認した。