[論文レビュー] Joint Load Balancing and Interference Mitigation in 5G Heterogeneous Networks

Trung Kien Vu, Mehdi Bennis+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2016

Full-Duplex Wireless Communications被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、マクロセルに massive MIMO を搭載した 5G ヘテロジニアスネットワーク（HetNet）と、フルデュプレックスで自己バックホールを備えたスモールセルを想定した、負荷バランスとインタフェンス低減のための確率的最適化フレームワークを提案する。マクロユーザーの動的スケジューリング、スモールセルのバックホールリソース割り当て、および干渉とバックホール制約に基づくユーザーのオフロードを統合的に制御することで、1km²あたり350のスモールセルを有する超密なネットワークにおいて、クローズドアクセスのスモールセルと比較してセルエッジ性能が5.6倍向上する。

ABSTRACT

We study the problem of joint load balancing and interference mitigation in heterogeneous networks (HetNets) in which massive multiple-input multiple-output (MIMO) macro cell base station (BS) equipped with a large number of antennas, overlaid with wireless self-backhauled small cells (SCs) are assumed. Self-backhauled SC BSs with full-duplex communication employing regular antenna arrays serve both macro users and SC users by using the wireless backhaul from macro BS in the same frequency band. We formulate the joint load balancing and interference mitigation problem as a network utility maximization subject to wireless backhaul constraints. Subsequently, leveraging the framework of stochastic optimization, the problem is decoupled into dynamic scheduling of macro cell users, backhaul provisioning of SCs, and offloading macro cell users to SCs as a function of interference and backhaul links. Via numerical results, we show the performance gains of our proposed framework under the impact of small cells density, number of base station antennas, and transmit power levels at low and high frequency bands. We further provide insights into the performance analysis and convergence of the proposed framework. The numerical results show that the proposed user association algorithm outperforms other baselines. Interestingly, we find that even at lower frequency band the performance of open access small cell is close to that of closed access at some operating points, the open access full- duplex small cell still yields higher gain as compared to the closed access at higher frequency bands. With increasing the small cell density or the wireless backhaul quality, the open access full- duplex small cells outperform and achieve a 5.6x gain in terms of cell-edge performance as compared to the closed access ones in ultra-dense networks with 350 small cell base stations per km2 .

研究の動機と目的

• マクロセルに massive MIMO を搭載した 5G ヘテロジニアスネットワーク（HetNet）における干渉と負荷不均衡の課題に取り組む。
• フルデュプレックススモールセルの展開において、無線バックホール容量制約下でのユーザー接続とリソース割り当てを最適化する。
• マクロユーザーのスケジューリング、スモールセルのバックホールリソース確保、ユーザーのオフロード意思決定を統合的に管理することで、ネットワーク効用を最大化する。
• 異なるネットワーク密度と周波数帯域におけるオープンアクセスとクローズドアクセスのスモールセルアーキテクチャの性能向上を評価する。

提案手法

• 無線バックホール制約を含むネットワーク効用最大化（NUM）問題として、負荷バランスとインタフェンス低減の問題を定式化する。
• 確率的最適化問題を3つの部分問題に分解する：マクロユーザーの動的スケジューリング、スモールセルのバックホールリソース確保、ユーザーのオフロード意思決定。
• リャプノフ最適化フレームワークを活用して、分散的かつリアルタイムに問題を分離・解消する。
• 上行リンクと下行リンクに同じ周波数帯を使用するフルデュプレックススモールセル基地局をモデル化し、干渉に配慮したスケジューリングによりマクロユーザーと周波数を共有する。
• 最適化にバックホール容量制約を組み込み、スモールセルユーザーの実現可能なデータレートを保証する。
• 時隙スロット方式を採用し、瞬時のチャネル状態とバックホール品質に基づいてユーザー接続とビームフォーミングを動的に適応させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 提案フレームワークは、ベースライン手法と比較して、セルエッジユーザーのスループットという観点から、どのようにネットワーク性能を向上させるか？
• RQ2 スモールセル密度とバックホール品質は、オープンアクセスのフルデュプレックススモールセルの性能向上にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 低周波数帯と高周波数帯において、オープンアクセススモールセルとクローズドアクセススモールセルの性能はどのように比較されるか？
• RQ4 提案されたユーザー接続アルゴリズムは、超密なヘテロジニアスネットワークにおいて、スペクトル効率と公平性をどの程度向上させるか？
• RQ5 変動するネットワーク状態下で、提案された確率的最適化フレームワークの収束性と安定性特性はいかなるものか？

主な発見

• 提案されたユーザー接続アルゴリズムは、1km²あたり350のスモールセル基地局を有する超密なネットワークにおいて、クローズドアクセスのスモールセルと比較して、セルエッジ性能が5.6倍向上する。
• 低周波数帯でも、特定の運用ポイントではオープンアクセスのフルデュプレックススモールセルが、クローズドアクセススモールセルと同等の性能を達成する。
• 高周波数帯では、より優れた干渉管理とスペクトル再利用が可能であるため、オープンアクセスのフルデュプレックススモールセルが、常にクローズドアクセスの対応する手法を上回る性能を発揮する。
• スモールセル密度の上昇と無線バックホール品質の向上に伴い、性能向上が顕著に増幅され、超密展開におけるスケーラビリティを示している。
• フレームワークは安定して収束し、リアルタイムの干渉状態とバックホール条件に基づくユーザーのオフロードとスケジューリングの動的適応により、高いネットワーク効用を達成する。
• スモールセルにおけるフルデュプレックス通信の活用により、スペクトル効率が向上し、特に高トラフィック環境下で1セルあたりのユーザー数を増加できる。