[論文レビュー] Joint In-Band Backhauling and Interference Mitigation in 5G Heterogeneous Networks

Trung Kien Vu, Mehdi Bennis+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 13被引用数 22

ひとこと要約

本稿では、マスティブ MIMO マクロセルとセルフバックハウリング小セルを用いた 5G 非均質ネットワーク（HetNets）におけるバンド内バックホールおよび干渉低減の統合フレームワークを提案する。ランダム行列理論と確率的最適化を活用することで、200 UEs/km² の条件下で 28 GHz で平均ユーザー設備（UE）スループット 1.7 Gbps、セルエッジスループット 1 Gbps を達成し、超密な展開において 2.4 GHz と比較して 62 倍の性能向上を示した。

ABSTRACT

In this paper, we study the problem of joint inband backhauling and interference mitigation in 5G heterogeneous networks (HetNets) in which a massive multiple-input multipleoutput (MIMO) macro cell base station equipped with a large number of antennas, overlaid with self-backhauled small cells is assumed. This problem is cast as a network utility maximization subject to wireless backhaul constraints. Due to the non-tractability of the problem, we first resort to random matrix theory to get a closed-form expression of the achievable rate and transmit power in the asymptotic regime, i.e., as the number of antennas and users grows large. Subsequently, leveraging the framework of stochastic optimization, the problem is decoupled into dynamic scheduling of macro cell users and backhaul provisioning of small cells as a function of interference and backhaul links. Via simulations, we evaluate the performance gains of our proposed framework under different network architectures and low/high frequency bands. Our proposed HetNet method achieves the achievable average UE throughput of 1.7 Gbps as well as ensures 1 Gbps cell-edge UE throughput when serving 200 UEs per km2 at 28 GHz with 1 GHz bandwidth. In ultra-dense network, the UE throughput at 28 GHz achieves 62x gain as compared to 2.4 GHz.

研究の動機と目的

• バンド内無線バックホールと干渉を伴う 5G HetNets におけるネットワーク性能の動的最適化の課題に対処すること。
• 変動する無線バックホール制約下で、マクロセルユーザーの共同スケジューリングと小セルへのバックホール容量の割り当てを共同で最適化すること。
• マスティブ MIMO 対応 HetNets において、ネットワーク効用を最大化するとともに安定性を確保し、干渉を最小限に抑えること。
• 低周波帯および高周波帯の両方のバンドで、超密 mmWave 展開における性能向上を評価すること。
• リャプノフ最適化を用いて理論的効用-キュー遅延トレードオフを確立すること。

提案手法

• 無線バックホールおよび安定性制約を含むネットワーク効用最大化（NUM）問題として定式化する。
• 大アンテナ数領域における漸近的 SIR（SINR）の閉形式の確定的同等物を導出するためにランダム行列理論（RMT）を適用する。
• リャプノフ最適化フレームワークを用いて、共同問題を動的スケジューリングとバックホール割り当てのサブ問題に分離する。
• 得られた混合整数非凸最適化問題を解くために逐次凸近似（SCA）を採用する。
• スティルチェス変換および行列トレース近似を用いて、マクロセルおよび小セルユーザーの両方の SINR 表現の確定的同等物を導出する。
• プリコーダ設計による隣接小セル間の干渉を制御するための動的動作モードを導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マスティブ MIMO を用いた 5G HetNets において、バンド内バックホールと干渉低減をどのように統合的に最適化できるか。
• RQ2 超密な HetNets に mmWave バンド（例：28 GHz）を導入した場合、周波数帯域幅とスペクトル効率、スループットにどの程度の向上が見込まれるか。
• RQ3 リャプノフパラメータ ν が動的スケジューリングにおけるネットワーク効用とキュー遅延のトレードオフに与える影響は何か。
• RQ4 28 GHz と 2.4 GHz の周波数帯を比較した場合、平均およびセルエッジユーザーのスループット向上はどの程度達成可能か。
• RQ5 アンテナ数およびユーザー密度が、提案フレームワークの実現可能性と性能に与える影響は何か。

主な発見

• 28 GHz で 1 GHz 帯域幅、200 UEs/km² の条件下で、提案された HetNet は平均 UE スループット 1.7 Gbps、セルエッジスループット 1 Gbps を達成した。
• 80 m のサイト間隔（ISD）の超密展開では、28 GHz の UE スループットは 2.4 GHz と比較して 62 倍の向上を示した。これは、広帯域幅とビームフォーミングによるものである。
• ISD が 250 m の場合、28 GHz のスループット向上は 2.4 GHz と比較して 56 倍であり、主に 50 倍の広帯域幅と方向性ビームフォーミングによるものである。
• ISD が 50 m 未満に低下すると、ネットワークキューのサイズが顕著に増加し、混雑状態が生じ、送信電力またはアドミッション制御の調整が必要となる。
• フレームワークは [O(1/ν), O(ν)] の効用-キュー遅延トレードオフを示しており、ν を増加させることで理論的効用-遅延トレードオフが確認された。
• ISD 33 m の超密 28 GHz 展開では、1 UE 当たり 473 Mbps のスループットを達成したが、同じ条件下で 2.4 GHz のスループットは 10 Mbps を下回った。