[論文レビュー] Energy-Efficient Power and Bandwidth Allocation in an Integrated Sub-6 GHz -- Millimeter Wave System

Morteza Hashemi, C. Emre Koksal+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2017

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 3被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、合計スループットとエネルギー効率を最大化することを目的として、統合されたSub-6 GHzおよびミリ波（mmWave）5Gシステムにおける連携的電力および帯域幅割り当てフレームワークを提案する。ADCおよびRF部品の消費電力をモデル化することで、部分的なmmWave帯域幅使用が、特に低電力または高ADC消費電力条件下で最適であることが示された。これは、部品の消費電力増加に伴う限界収益の減少に起因し、全帯域幅割り当てよりも優れた性能を発揮する。

ABSTRACT

In mobile millimeter wave (mmWave) systems, energy is a scarce resource due to the large losses in the channel and high energy usage by analog-to-digital converters (ADC), which scales with bandwidth. In this paper, we consider a communication architecture that integrates the sub-6 GHz and mmWave technologies in 5G cellular systems. In order to mitigate the energy scarcity in mmWave systems, we investigate the rate-optimal and energy-efficient physical layer resource allocation jointly across the sub-6 GHz and mmWave interfaces. First, we formulate an optimization problem in which the objective is to maximize the achievable sum rate under power constraints at the transmitter and receiver. Our formulation explicitly takes into account the energy consumption in integrated-circuit components, and assigns the optimal power and bandwidth across the interfaces. We consider the settings with no channel state information and partial channel state information at the transmitter and under high and low SNR scenarios. Second, we investigate the energy efficiency (EE) defined as the ratio between the amount of data transmitted and the corresponding incurred cost in terms of power. We use fractional programming and Dinkelbach's algorithm to solve the EE optimization problem. Our results prove that despite the availability of huge bandwidths at the mmWave interface, it may be optimal (in terms of achievable sum rate and energy efficiency) to utilize it partially. Moreover, depending on the sub-6 GHz and mmWave channel conditions and total power budget, it may be optimal to activate only one of the interfaces.

研究の動機と目的

• ADCやRFチェーンからの高消費電力に起因する、mmWaveシステムにおけるエネルギー枯渇問題に対処すること。
• 統合されたSub-6 GHz/mmWaveシステムにおける物理層のエネルギーコストを考慮した、連携的電力および帯域幅割り当て問題の定式化。
• 送信機および受信機の総電力制約（回路レベルの消費電力を含む）下で、達成可能な合計スループットを最大化すること。
• 送信機にチャネル状態情報（CSIT）が限界的または存在しない状況を想定し、帯域幅および電力割り当てに応じたエネルギー効率の関数としての分析。
• チャネル状態および電力予算に応じて、Sub-6 GHzまたはmmWaveのいずれかのインターフェースのみが活性化される最適構成を特定すること。

提案手法

• ADC消費電力を $ P^{\text{(ADC)}} = c_{\text{ox}} W 2^{r_{\text{ADC}}} $ として明示的にモデル化した合計スループット最大化問題を定式化。ここで $ W $ は帯域幅、$ r_{\text{ADC}} $ は量子化分解能である。
• 全帯域幅および部分的CSITの両状況を想定し、電力制約下での合計スループット最大化問題を凸最適化技術を用いて解く。
• 非凸なエネルギー効率（EE）最適化問題（ビット/秒・ジュール）を解くために、分数プログラミングおよびDinkelbachのアルゴリズムを適用。
• 64送信アンテナおよび16受信アンテナを用いた30 GHzの現実的mmWaveチャネルデータを用い、Sub-6 GHzは3 GHz、1 MHz帯域幅を想定。
• 異なる総電力予算およびADC消費電力スケーリング係数 $ a = c_{\text{ox}} 2^{r_{\text{ADC}}} $ の下でシミュレーションを実施。最適割り当てと全帯域幅ウォーターフィリングを比較。
• 高SNRおよび低SNR領域、およびCSITなしの状況を想定し、提案手法のロバスト性を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 広大な利用可能な帯域幅を有するmmWave帯域であっても、合計スループット最大化の観点から部分的利用が最適となる条件は何か？
• RQ2 ADCおよびRF部品の消費電力が統合されたSub-6 GHz/mmWaveシステムにおける最適電力および帯域幅割り当てに与える影響は何か？
• RQ3 mmWave帯域の全帯域幅利用は常に有益であると言えるか？それとも、回路消費電力の増加によりエネルギー効率が低下する可能性があるか？
• RQ4 送信機にチャネル状態情報（CSIT）がない場合、最適リソース割り当て戦略にどのような影響が生じるか？
• RQ5 Sub-6 GHzおよびmmWave帯域に電力および帯域幅を割り当てる際の、合計スループットとエネルギー効率のトレードオフは何か？

主な発見

• 高ADC消費電力（例：$ a = 10^{-7} $）下では、全mmWave帯域幅割り当てが過剰なADC消費電力により送信電力がゼロとなり、達成可能なスループットもゼロとなる。
• 最適割り当てでは、mmWave帯域幅の4.0597 MHzのみを用いて $ 2.55 \times 10^3 $ bpsの合計スループットを達成するが、全帯域幅割り当てではスループットがゼロとなる。
• 最大1 GHzの広帯域mmWave帯域であっても、部分的帯域幅使用が最適となることが判明。これは特に低総電力または高ADC消費電力条件下で顕著で、単位電力あたりのスペクトル効率の限界収益減少に起因する。
• mmWave帯域ではADC消費電力が線形に増加するため、閾値を超える帯域幅ではエネルギー効率（ビット/秒・ワット）が低下するが、本手法では帯域幅使用を制限することでEEの増加を維持している。
• 低電力領域では、ウォーターフィリング電力割り当てと組み合わせても、部分的mmWave帯域幅利用が全帯域幅割り当てを上回る高い合計スループットを達成する。
• 最適解では、チャネル状態および電力予算に応じて、Sub-6 GHzまたはmmWaveのいずれかのインターフェースのみが活性化される可能性があり、連携的最適化の重要性を示している。