[論文レビュー] Coordinated Scheduling and Spectrum Sharing via Matrix Fractional Programming.

Kaiming Shen, Wei Yu+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2018

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 36被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、複数のデータストリームと任意のデバイス関連を扱えるように一般化された行列分数プログラミング（MFP）を用いて、リンクスケジューリング、パワー制御、ビームフォーミング、ユーザーペアリングを統合最適化する、デバイス間（D2D）通信のための新規な調整フレームワークFPLinQを提案する。干渉が強いD2Dネットワークにおいて、FlashLinQ や ITLinQ+ といった先行手法に比べ、顕著なスペクトル効率の向上を達成する。

ABSTRACT

Interference management is a fundamental issue in device-to-device (D2D) communications whenever the transmitter-and-receiver pairs are located geographically in close proximity and frequencies are fully reused, so active links may severely interfere with each other. This paper devises an optimization strategy named FPLinQ to coordinate the link scheduling decisions among the interfering links, along with power control and beamforming. The key enabler is a novel optimization method called matrix fractional programming (FP) that generalizes previous scalar and vector forms of FP in allowing multiple data streams per link. From a theoretical perspective, this paper provides a deeper understanding of FP by showing a connection to the minorization-maximization (MM) algorithm. From an application perspective, this paper shows that as compared to the existing methods for coordinating scheduling in the D2D network, such as FlashLinQ, ITLinQ, and ITLinQ+, the proposed FPLinQ approach is more general in allowing multiple antennas at both the transmitters and the receivers, and further in allowing arbitrary and multiple possible associations between the devices via matching. Numerical results show that FPLinQ significantly outperforms the previous state-of-the-art in a typical D2D communication environment.

研究の動機と目的

• 送信機と受信機が地理的に近接し、周波数が完全に再利用される干渉が強いD2Dネットワークにおける干渉の管理の課題に対処すること。
• 単一ストリーム伝送と固定されたユーザー関連に制限される既存のスケジューリングフレームワーク（FlashLinQ や ITLinQ+）の限界を克服すること。
• 送信機および受信機に複数アンテナを備え、マッチングを用いて任意かつ複数の関連を可能にする統合最適化フレームワークを構築すること。
• マルチストリーム伝送と複雑なネットワークトポロジーを扱える一般化された最適化手法を用いて、より効率的なスペクトル共有と干渉調整を実現すること。

提案手法

• スカラおよびベクトル分数プログラミングを一般化し、1リンクあたり複数のデータストリームを扱えるようにした、新規な最適化フレームワークとして行列分数プログラミング（MFP）を導入する。
• リンクスケジューリング、パワー制御、ビームフォーミングの問題を行列分数プログラムとして定式化し、干渉調整とスペクトル効率の同時最適化を可能にする。
• MFPと最小化最大化（MM）アルゴリズムとの間の理論的関連を確立し、収束性と安定性を備えた反復的解法を提供する。
• 任意かつ複数の送信機と受信機のペアリングを可能にするマッチングに基づくユーザー関連メカニズムを設計し、システムの柔軟性とスループットを向上させる。
• 非凸最適化問題を解くためにMFPとMMに基づく反復的アルゴリズムを実装し、局所最適解への収束を保証する。
• ビームフォーミングとパワー制御をスケジューリングフレームワークに統合し、空間多重性の向上と相互リンク干渉の低減を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数の共周波数リンクと周波数完全再利用が行われるD2Dネットワークにおいて、どのようにして干渉を効果的に管理できるか？
• RQ2 マルチストリームD2Dシステムにおいて、スカラおよびベクトル分数プログラミングに比べて、行列分数プログラミング（MFP）はスペクトル効率をどの程度向上できるか？
• RQ3 スケジューリング、ビームフォーミング、パワー制御、および柔軟なユーザーペアリングを統合的に処理する統合最適化フレームワークは、ITLinQ や FlashLinQ といった最先端手法を上回る性能を発揮できるか？
• RQ4 複数アンテナ伝送と任意のデバイス関連が、協調的D2Dスケジューリングの性能に与える影響は何か？
• RQ5 行列分数プログラミングと最小化最大化（MM）アルゴリズムとの理論的関連性は、非凸D2Dネットワークにおける効率的かつ安定した最適化をどのように可能にするか？

主な発見

• FPLinQは、典型的なD2Dネットワーク環境下で、スペクトル効率においてFlashLinQ、ITLinQ、ITLinQ+を顕著に上回り、優れた干渉調整性能を示す。
• 提案された行列分数プログラミング（MFP）フレームワークにより、複数ストリームにわたるスケジューリング、ビームフォーミング、パワー制御の統合最適化が可能となり、システム容量が向上する。
• 送信機および受信機に複数アンテナを備えることで、FPLinQは単一ストリーム手法に比べ、より高い空間多重性の利得と優れた干渉抑制効果を達成する。
• マッチングを用いた任意かつ複数のデバイス関連の導入により、システムの柔軟性が向上し、より効率的なリンクペアリングが可能となり、全体のスループットが向上する。
• MFPとMMアルゴリズムとの理論的関連性により、反復的最適化プロセスの収束性と安定性が保証され、実時間での実装に実用的である。
• 数値結果により、FPLinQが干渉制限環境下のD2D環境で顕著なスペクトル効率の向上を達成することが確認され、既存手法に比べて優位性が裏付けられた。