[論文レビュー] Joint Base Station Clustering and Beamformer Design for Partial Coordinated Transmission in Heterogenous Networks

Mingyi Hong, Ruoyu Sun+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2012

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 39被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、密度が高く小セルが多数存在する異種ネットワークにおける部分的協調伝送を対象として、スパース最適化によるグループLASSOを用いた、基地局（BS）のクラスタリングとビームフォーマー設計の共同最適化アルゴリズムを提案する。この手法により、クラスタサイズを制御可能なユーザ中心のクラスタリングが可能となる。反復的S-WMMSEアルゴリズムを用いてクラスタリングとビームフォーミングを同時に最適化し、定常解に収束する。これにより、バックハール信号の伝送量を顕著に削減するとともに、スペクトル効率を向上させる。

ABSTRACT

We consider the interference management problem in a multicell MIMO heterogenous network. Within each cell there are a large number of distributed micro/pico base stations (BSs) that can be potentially coordinated for joint transmission. To reduce coordination overhead, we consider user-centric BS clustering so that each user is served by only a small number of (potentially overlapping) BSs. Thus, given the channel state information, our objective is to jointly design the BS clustering and the linear beamformers for all BSs in the network. In this paper, we formulate this problem from a {sparse optimization} perspective, and propose an efficient algorithm that is based on iteratively solving a sequence of group LASSO problems. A novel feature of the proposed algorithm is that it performs BS clustering and beamformer design jointly rather than separately as is done in the existing approaches for partial coordinated transmission. Moreover, the cluster size can be controlled by adjusting a single penalty parameter in the nonsmooth regularized utility function. The convergence of the proposed algorithm (to a local optimal solution) is guaranteed, and its effectiveness is demonstrated via extensive simulation.

研究の動機と目的

• 密度の高い小セルを有するマルチセルMIMO異種ネットワークにおける干渉管理の課題に取り組む。
• 動的BSクラスタリングを介してユーザ中心の部分的協調を可能にすることで、バックハール信号の伝送オーバーヘッドを低減する。
• それらを別々の問題として扱うのではなく、BSクラスタリングと線形ビームフォーマー設計を共同で最適化する。
• 非滑らかな正則化効用関数における1つのペナルティパラメータを用いてクラスタサイズを制御する。
• スパース最適化により、協調オーバーヘッドを低く抑えつつ高いシステム性能を達成する。

提案手法

• グループLASSO正則化を用いて、BSクラスタリングとビームフォーミングの共同最適化問題をスパース最適化問題として定式化する。
• 各セルの分散配置BSを、グループスパース構造を持つ仮想MIMOビームフォーマーとしてモデル化する。
• ビームフォーマー、双対変数、クラスタリングインジケータを交互に更新する反復的S-WMMSEアルゴリズムを提案する。
• 非滑らかで非凸な問題を解くために、収束保証付きのブロック座標降下（BCD）を採用する。
• ペナルティパラメータを用いてクラスタサイズを制御し、ビームフォーマー構造のスパarsityを促進する。
• 理論的分析に基づき、[42, 定理4.1]を用いて定常解への収束を確立する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異種ネットワークにおける干渉を最小限に抑えつつバックハール信号の伝送量を削減するため、BSクラスタリングとビームフォーマー設計をどのように共同最適化できるか。
• RQ2 グループLASSOに基づくスパース最適化は、クラスタサイズを効果的に制御し、ユーザ中心の協調を可能にするか。
• RQ3 ペナルティパラメータが部分的協調伝送におけるクラスタサイズとシステム性能に与える影響は何か。
• RQ4 提案手法の共同設計は、逐次的またはヒューリスティックなクラスタリング手法と比較して、スペクトル効率と計算複雑度の面でどのように優れるか。
• RQ5 実際のネットワーク環境下でも、反復的S-WMMSEアルゴリズムは意味のある定常解に収束するか。

主な発見

• 提案アルゴリズムは、共同最適化問題の定常解に収束し、理論的安定性を保証する。
• クラスタサイズは、グループLASSO定式化における1つのペナルティパラメータの調整により直接制御可能である。
• 非協調または完全協調方式と比較して、顕著なスペクトル効率の向上を達成する。
• ビームフォーマー構造のスパarsityにより、1ユーザーあたりの協調BS数を制限することで、バックハール信号の伝送量を削減する。
• シミュレーション結果により、性能と協調オーバーヘッドのバランスを効果的にとれることが示された。
• 分離されたクラスタリングとビームフォーミング最適化よりも、共同設計が優れていることが実証され、統合的最適化の利点が裏付けられた。