[論文レビュー] Energy Efficient User Association and Power Allocation in Millimeter Wave Based Ultra Dense Networks with Energy Harvesting Base Stations

H. Zhang, Sai Huang+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2017

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 17被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、エネルギー効率と負荷バランス最適化を目的とした、ミリ波ベースの超密なネットワークにおけるエネルギー回収型基地局を備えた、共同ユーザー接続および電力割り当てアルゴリズムを提案する。ラグランジュ双対分解を用いて、エネルギー効率と負荷バランスを最適化する。遮蔽状態において、MAX-SINRと比較して最大9倍の高いエネルギー効率を達成し、高速収束性と最小ユーザー速率の保証を満たす。

ABSTRACT

Millimeter wave (mmWave) communication technologies have recently emerged as an attractive solution to meet the exponentially increasing demand on mobile data traffic. Moreover, ultra dense networks (UDNs) combined with mmWave technology are expected to increase both energy efficiency and spectral efficiency. In this paper, user association and power allocation in mmWave based UDNs is considered with attention to load balance constraints, energy harvesting by base stations, user quality of service requirements, energy efficiency, and cross-tier interference limits. The joint user association and power optimization problem is modeled as a mixed-integer programming problem, which is then transformed into a convex optimization problem by relaxing the user association indicator and solved by Lagrangian dual decomposition. An iterative gradient user association and power allocation algorithm is proposed and shown to converge rapidly to an optimal point. The complexity of the proposed algorithm is analyzed and the effectiveness of the proposed scheme compared with existing methods is verified by simulations.

研究の動機と目的

• ミリ波ベースの超密ネットワークにおけるエネルギー効率と負荷バランスの課題に対処すること。
• QoS、干渉、エネルギー制約下でのユーザー接続および電力割り当ての最適化。
• 負荷バランスとネットワークユーティリティの最大化を両立させる低複雑性で収束性のあるアルゴリズムの開発。
• 干渉とエネルギー消費を最小限に抑えつつ、最小ユーザー速率要件を満たすこと。

提案手法

• 混合整数プログラミング問題として、共同ユーザー接続および電力割り当てを定式化する。
• バイナリーユーザー接続インジケータを緩和することで、問題を凸最適化問題に変換する。
• ラグランジュ双対分解を適用し、双対問題を2つの部分問題（ユーザー接続と電力割り当て）に分解する。
• ユーザー接続と電力割り当て変数を交互に更新する反復勾配ベースのアルゴリズムを開発する。
• 負荷バランス制約と基地局におけるエネルギー回収能力を統合する。
• ライン・オブ・サイト（LOS）/ライン・オブ・サイトでない（NLOS）のパスロスおよびシャドウイングパラメータを備えた遮蔽対応のミリ波チャネルモデルを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、エネルギー回収型基地局を備えたミリ波超密ネットワークにおいて、ユーザー接続と電力割り当てを共同で最適化し、エネルギー効率を最大化できるか？
• RQ2 このようなネットワークにおいて、負荷バランスがSINRベースの接続と比較して、ネットワーク性能にどの程度寄与するか？
• RQ3 遮蔽およびパスロスを含む現実的なミリ波伝搬条件下で、提案手法の性能はどのように変化するか？
• RQ4 提案された反復アルゴリズムの収束特性と計算複雑度はどのようになるか？
• RQ5 提案手法は、高いエネルギー効率を達成しつつ、最小ユーザー速率要件を維持できるか？

主な発見

• 遮蔽効果が存在する状況下でも、基地局数が1500に達する際、提案手法はMAX-SINR手法と比較して最大9倍の高いエネルギー効率を達成する。
• ミリ波小セルアンテナ利得が高くなるほどエネルギー効率が向上し、本手法は全利得レベルでMAX-SINRを上回る性能を示す。
• 提案手法は約20イタレーションで高速に収束するが、MAX-SINR手法は負荷バランスの欠如により収束しない。
• 提案手法はすべての基地局において一定かつ公平な価格設定ルールを実現し、安定的かつ予測可能なユーザー接続を可能にする。
• ユーザー速度が最小要件レベルを維持されており、効果的な公平性とQoSの提供が実証された。
• 干渉の調整とマクロセルおよび小セル間の負荷バランスを統合することで、ネットワークユーティリティが顕著に向上する。