[論文レビュー] Downlink Energy Efficiency of Power Allocation and Wireless Backhaul Bandwidth Allocation in Heterogeneous Small Cell Networks

Haijun Zhang, Hao Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2017

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 20被引用数 16

ひとこと要約

本稿では、スペクトル効率およびエネルギー効率を最大化することを目的として、OFDMAベースの異種小セルネットワークにおける連携的エネルギー効率型パワー制御および無線バックホール帯域幅割り当て方式を提案する。非凸最適化問題を定式化し、それを凸部分問題に分解することで、著者らは反復的アルゴリズムおよび低複雑度の近似最適手法を設計し、QoS制約を維持したままエネルギー効率を顕著に向上させた。

ABSTRACT

The widespread application of wireless services and dense devices access have triggered huge energy consumption. Because of the environmental and financial considerations, energy-efficient design in wireless networks becomes an inevitable trend. To the best of the authors' knowledge, energy-efficient orthogonal frequency division multiple access heterogeneous small cell optimization comprehensively considering energy efficiency maximization, power allocation, wireless backhaul bandwidth allocation, and user Quality of Service is a novel approach and research direction, and it has not been investigated. In this paper, we study the energy-efficient power allocation and wireless backhaul bandwidth allocation in orthogonal frequency division multiple access heterogeneous small cell networks. Different from the existing resource allocation schemes that maximize the throughput, the studied scheme maximizes energy efficiency by allocating both transmit power of each small cell base station to users and bandwidth for backhauling, according to the channel state information and the circuit power consumption. The problem is first formulated as a non-convex nonlinear programming problem and then it is decomposed into two convex subproblems. A near optimal iterative resource allocation algorithm is designed to solve the resource allocation problem. A suboptimal low-complexity approach is also developed by exploring the inherent structure and property of the energy-efficient design. Simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed algorithms by comparing with the existing schemes.

研究の動機と目的

• 増加するデータトラフィックおよびデバイス密度に起因する密な無線ネットワークにおけるエネルギー消費の増大に対処すること。
• OFDMAベースの異種小セルネットワークにおける下行リンクパワー割り当てと無線バックホール帯域幅割り当てを連携して最適化すること。
• ユーザーのサービス品質（QoS）要件および回路パワー制約を満たした上でエネルギー効率を最大化すること。
• 実用的導入を想定した近似最適および低複雑度のアルゴリズムを開発すること。

提案手法

• 送信パワー、バックホール帯域幅、チャネル状態情報、および回路パワーを考慮した非凸非線形計画問題として、エネルギー効率最大化問題を定式化する。
• 元の問題を2つの凸部分問題に分解する：1つはパワー割り当て、もう1つはバックホール帯域幅割り当て。
• 厳密に準凸関数であるユーティリティ関数を解くことで、各ユーザーごとの最適パワー割り当てを導出する。この関数は一意の最大値を持つことが証明されている。
• カールシュ＝クーン＝タッカー（KKT）条件およびロピタルの定理を用いて、最適パワー解の存在および一意性を分析する。
• パワーと帯域幅を交互に最適化する反復的リソース割り当てアルゴリズムを設計し、収束が保証される。
• エネルギー効率関数の構造的性質を活用して、低複雑度の近似最適アルゴリズムを提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異種小セルネットワークにおけるエネルギー効率を、パワーとバックホール帯域幅割り当てを連携して最適化することで、どのように最大化できるか？
• RQ2 回路パワー制約およびQoS制約下で、エネルギー効率を最大にする各ユーザーごとの最適パワー割り当て戦略は何か？
• RQ3 非凸最適化問題は、解法が容易な凸部分問題に効果的に分解可能か？
• RQ4 無線バックホール帯域幅割り当ては、全体のシステムエネルギー効率にどのような影響を及ぼすか？
• RQ5 提案されたアルゴリズムは、既存の手法と比較して性能および複雑度の面でどのように差をつけるか？

主な発見

• 提案された反復的アルゴリズムは、パワーとバックホール帯域幅割り当てを連携して最適化することで、近似最適なエネルギー効率を達成する。
• 各ユーザーに対する最適パワー割り当ては一意であり、厳密に準凸関数のピークに対応する。
• 最適パワー解は存在し、解析的に導出可能であり、ユーティリティ関数の微分は符号が一度しか変わらない。
• ユーティリティ関数の極限挙動から、送信パワーが増加するにつれてエネルギー効率が一時的に上昇し、その後減少することが示され、最大値の存在が裏付けられる。
• 低複雑度の近似最適アルゴリズムは、計算コストを著しく削減した上で、反復的手法と同等の性能を達成する。
• シミュレーション結果から、提案手法は従来のリソース割り当て手法に比べ、エネルギー効率およびスペクトル効率の両面で優れた性能を示す。