[論文レビュー] Joint Base Station Clustering and Beamforming for Non-Orthogonal Multicast and Unicast Transmission with Backhaul Constraints

Erkai Chen, Meixia Tao+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2017

Telecommunications and Broadcasting Technologies参考文献 31被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、バックホール容量が限られたマルチセルネットワークにおける非直交型マルチキャストおよびユニキャスト伝送のための、共同ベースステーションクラスタリングおよびビームフォーミングフレームワークを提案する。スーパーポジットビームフォーミングを用いた階層的多重アクセス（LDM）構造を採用し、各BSの電力制約およびバックホール制約のもとで重み付き和速率を最大化する共同最適化問題を定式化することで、直交方式に比べて優れたマルチキャスト・ユニキャスト速率領域を達成する。

ABSTRACT

The demand for providing multicast services in cellular networks is continuously and fastly increasing. In this work, we propose a non-orthogonal transmission framework based on layered-division multiplexing (LDM) to support multicast and unicast services concurrently in cooperative multi-cell cellular networks with limited backhaul capacity. We adopt a two-layer LDM structure where the first layer is intended for multicast services, the second layer is for unicast services, and the two layers are superposed with different beamformers. Each user decodes the multicast message first, subtracts it, and then decodes its dedicated unicast message. We formulate a joint multicast and unicast beamforming problem with adaptive base station clustering that aims to maximize the weighted sum of the multicast rate and the unicast rate under per-BS power and backhaul constraints. To solve the problem, we first develop a branch-and-bound algorithm to find its global optimum. We then reformulate the problem as a sparse beamforming problem and propose a low-complexity algorithm based on convex-concave procedure. Simulation results demonstrate the significant superiority of the proposed LDM-based non-orthogonal scheme over orthogonal schemes in terms of the achievable multicast-unicast rate region.

研究の動機と目的

• セルラー・ネットワークにおける効率的なマルチキャストサービスの需要増加に対応するとともに、ユニキャスト性能を損なわないこと。
• 従来のマルチキャスト・ユニキャストシステムにおける直交的リソース共有のスペクトル非効率性を克服すること。
• 各BSの電力制約およびバックホール容量制約のもとで、ベースステーションクラスタリングとビームフォーミングを共同最適化すること。
• 協調的マルチセルネットワークにおけるマルチキャストおよびユニキャスト速率の重み付き和を最大化すること。
• 実用的システム制約を満たしつつ、近似的最適性能を達成する低複雑度アルゴリズムの開発。

提案手法

• 最初の層がマルチキャスト信号を、2番目の層がユニキャスト信号を送信する2段階のLDM構造を提案し、それぞれ異なるビームフォーマーを用いて重ね合わせる。
• ユーザー側では逐次干渉キャンセレーション（SIC）を採用：まずマルチキャスト信号を復号・減算し、その後ユニキャスト信号を復号する。
• 各BSの電力制約およびバックホール制約のもとで、ビームフォーマー、クラスタリング指標、および速率を共同最適化する非凸最適化問題を定式化する。
• 共同問題のグローバル最適解を求めるために、ブランチアンドバウンド法を提案する。
• 問題をスパース・ビームフォーミング問題に再定式化し、実用的導入を目的に凸-凹プロシージャ（CCP）を用いた低複雑度アルゴリズムを提案する。
• 収束性と妥当性を保証するため、バイセクションベースのバウンディング技術を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バックホール容量が限られたマルチセルネットワークにおいて、マルチキャストおよびユニキャストサービスを効率的にサポートする方法は何か？
• RQ2 電力制約およびバックホール制約のもとで、システム和速率を最大化する最適なベースステーションクラスタリングとビームフォーミングの共同設計は何か？
• RQ3 階層的多重アクセス（LDM）を活用することで、非直交型マルチキャスト・ユニキャスト伝送におけるスペクトル効率をどのように向上させられるか？
• RQ4 提案された非直交方式は、従来の直交方式に比べて、どの程度の速率領域の向上を達成するか？
• RQ5 実用的システムにおいて、近似的最適性能を達成する低複雑度アルゴリズムをどのように設計できるか？

主な発見

• 提案されたLDMベースの非直交方式は、直交伝送方式に比べて顕著に大きなマルチキャスト・ユニキャスト速率領域を達成する。
• ブランチアンドバウンド法により、共同クラスタリングおよびビームフォーミング問題のグローバル最適性が保証される。
• CCPに基づく低複雑度アルゴリズムは、著しく低い計算コストでグローバル最適解に近い性能を達成する。
• バイセクションベースのバウンディング技術により収束性が保証され、最大反復回数内で有限回の反復で妥当な解が得られることが証明された。
• 目的関数の上界と下界の差は有界であり、探索精度パラメータδを調整することで、任意に小さくできる。
• シミュレーション結果は、現実的なバックホールおよび電力制約下でも、提案方式の重み付き和速率における優位性を確認している。