[論文レビュー] Adaptive Multi-objective Optimization for Energy Efficient Interference Coordination in Multi-Cell Networks

Zesong Fei, Chengwen Xing+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2013

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 20被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、マルチセル OFDMA ネットワークにおけるエネルギー効率的干渉協調のための適応的マルチ目的電力割り当て方式を提案する。Pascoletti-Serafini スカラー化を用いて、スループット寄与の最大化と電力消費の最小化を同時に最適化する二目的最適化問題を定式化することで、性能とエネルギー効率の間で調整可能な分散型基地局運用が可能となり、パrameter の適応によりパレート最適境界全体に近い解が得られる。

ABSTRACT

In this paper, we investigate the distributed power allocation for multi-cell OFDMA networks taking both energy efficiency and inter-cell interference (ICI) mitigation into account. A performance metric termed as throughput contribution is exploited to measure how ICI is effectively coordinated. To achieve a distributed power allocation scheme for each base station (BS), the throughput contribution of each BS to the network is first given based on a pricing mechanism. Different from existing works, a biobjective problem is formulated based on multi-objective optimization theory, which aims at maximizing the throughput contribution of the BS to the network and minimizing its total power consumption at the same time. Using the method of Pascoletti and Serafini scalarization, the relationship between the varying parameters and minimal solutions is revealed. Furthermore, to exploit the relationship an algorithm is proposed based on which all the solutions on the boundary of the efficient set can be achieved by adaptively adjusting the involved parameters. With the obtained solution set, the decision maker has more choices on power allocation schemes in terms of both energy consumption and throughput. Finally, the performance of the algorithm is assessed by the simulation results.

研究の動機と目的

• マルチセル OFDMA ネットワークにおけるエネルギー効率とセル間干渉（ICI）低減のバランスをとる課題に対処する。
• 非協力ゲーム（性能損失）および協力ゲーム（高いオーバーヘッド）の限界を克服するため、価格設定メカニズムを導入して分散型協調を可能にする。
• 各基地局（BS）ごとに、スループット寄与の最大化と電力消費の最小化を同時に最適化する二目的最適化問題を定式化する。
• スカラー化フレームワークにおける適応的パrameter のチューニングにより、エネルギー効率とスペクトル効率の間の柔軟なトレードオフを実現する。
• 各 BS が独立して電力割り当てを最適化しつつも、ネットワーク全体の性能目標を維持できる分散型ソリューションを提供する。

提案手法

• 各 BS のネットワークスペクトル効率への寄与度を定量化する新たな性能指標「スループット寄与」を導入し、干渉コストを考慮する。
• 多目的最適化理論を用いて、各 BS に対してスループット寄与の最大化と電力消費の最小化を目的とする二目的最適化問題（MOP）を定式化する。
• Pascoletti-Serafini スカラー化法を適用し、多目的問題をスカラー化されたパrametric 問題（SP）に変換することで、有効集合の体系的探索が可能になる。
• スカラー化パrameter と最小解との間の解析的関係を導出し、単一のパrameter の調整により有効集合の境界全体を生成可能にする。
• 各 BS が局所的なチャネル状態情報と交換された干渉価格のみを用いて、スカラー化問題を独立に解く分散アルゴリズムを設計する。
• ラグランジュ乗数とカールシュ＝クーン＝タッカー（KKT）条件を活用し、分散ソリューションプロセスの最適性と収束性を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散型マルチセル OFDMA ネットワークにおいて、エネルギー効率とセル間干渉協調をどのように同時に最適化できるか？
• RQ2 スカラー化された多目的最適化におけるトレードオフパrameter の変化が、得られる電力割り当ておよびネットワーク性能に与える影響は何か？
• RQ3 中央集権的制御なしに、価格設定メカニズムがパレート最適解に向けて基地局を効果的に協調させられるか？
• RQ4 提案された適応的スカラー化手法は、多目的最適化問題の有効集合の境界全体をどの程度達成できるか？
• RQ5 スペクトル効率およびエネルギー消費の観点から、従来の非協力的または協力的アプローチと比較して、本手法はどのように優れているか？

主な発見

• 提案された適応的スカラー化手法は、単一のスカラー化パrameter の変更により、有効集合の境界に位置するすべての解を効果的に生成できる。
• 本手法により、各基地局は局所的なチャネル状態情報と交換された干渉価格のみを用いて、分散的に最適な電力割り当てを計算可能である。
• シミュレーション結果から、アルゴリズムが中央集権的最適解に非常に近い性能を達成することが示され、特に干渉が性能の主な制限要因となる高SNR領域で顕著である。
• スループット寄与と電力消費の間のトレードオフは、エネルギー効率またはスペクトル効率の優先順位に応じたネットワークオペレータの柔軟な選択肢を提供する。
• Pascoletti-Serafini スカラー化の使用により、多目的問題の各 K-最小解がスカラー化問題の最小解に対応することが保証され、理論的基盤の妥当性が裏付けられる。
• ラグランジュ乗数の分析から、元の問題と変換後のスカラー問題の両方で同一の乗数が適用されることを確認し、解パスの一貫性と最適性が保証される。