[論文レビュー] Joint user association and power allocation in ultra-dense mmWave networks: a multi-connectivity approach

Ailing Chen, Shengchang Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2022

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、超密なmmWaveネットワークにおけるマルチコネクティビティを活用して、下り行路レートの信頼性を向上させるための、共同ユーザー接続および電力割り当て方式を提案する。非凸な混合整数問題を緩和および重み付き和スカラー化により差分凸計画問題（DCプログラム）に変換することで、従来手法と比較して個々のユーザーレートを顕著に向上させる反復的アルゴリズムを構築した。

ABSTRACT

In ultra-dense millimeter wave (mmWave) networks, mmWave signals suffer from severe path losses and are easily blocked by obstacles. Meanwhile, ultra-dense deployment causes excessive handovers, which reduces the data link reliability. To alleviate the above issues, the novel technology, known as multi-connectivity enabled user association (MCUA) is incorporated in this letter. We aim to jointly optimize MCUAs and downlink (DL) power allocations (PAs) to maximize the DL rate of each user simultaneously, rather than total. This is a non-convex nonlinear 0-1 mixed integer multi-objective optimization problem and quite complicated. To solve it, we first use the weighted sum method to scalarize it as a single-objective optimization problem (SOOP), and then relax the binary association variables to real ones. Considering that the relaxed SOOP is still non-convex, we perform a series of transformations upon it and make it a differential of convex programming. Finally, we develop an iterative algorithm based on the convex-concave procedure to solve the SOOP. Numerical results are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed algorithms.

研究の動機と目的

• 超密なネットワーク内におけるmmWave信号の深刻な路損および遮断の課題に対処すること。
• 過剰なハンドオーバーを軽減し、密度の高い展開によるリンクの信頼性低下を是正すること。
• 総レートではなく個々のユーザーの下り行路レートを最大化するための共同最適化を実現すること。
• 複雑な非凸、混合整数、多目的最適化問題を解く実用的なアルゴリズムを開発すること。

提案手法

• 共同ユーザー接続および電力割り当てを非凸・非線形・0-1混合整数多目的最適化問題として定式化する。
• 重み付き和法を用いて多目的問題を単一目的最適化問題（SOOP）にスカラー化する。
• 二値のユーザー接続変数を連続的な実数変数に緩和することで、問題構造を単純化する。
• 数学的再定式化を通じて、緩和されたSOOPを差分凸（DC）プログラムに変換する。
• 凹凸凸法（CCCP）に基づく反復的アルゴリズムを設計し、DCプログラムを解く。
• 収束するまで、反復的にユーザー接続および電力割り当てを更新し、局所最適解を求める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチコネクティビティは、超密なmmWaveネットワークにおけるユーザー接続および電力割り当てをどのように改善できるか？
• RQ2 ユーザー接続と下り行路電力割り当てを共同最適化することで、個々のユーザーレートを最大化する最適な方法は何か？
• RQ3 mmWaveネットワークにおける非凸混合整数問題を、取り扱いやすいDCプログラムに効果的に変換できるか？
• RQ4 提案されたアルゴリズムは、従来の手法と比較して、個々のユーザーレートおよびシステム信頼性においてどのように差をつけるか？
• RQ5 緩和と反復的最適化の影響は、ユーザー接続および電力割り当ての性能にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 提案されたアルゴリズムは、従来の単一接続方式と比較して、個々のユーザーの下り行路レートにおいて顕著な向上を達成した。
• マルチコネクティビティの活用により、mmWaveリンクにおける遮断や深刻なフェージングの悪影響が軽減された。
• 反復的凸-凹法は安定した解に収束し、複雑なネットワーク環境下でも高いロバスト性を示した。
• 二値変数の緩和により、計算効率が向上した一方で、元の整数解に非常に近い高い性能を維持できた。
• 数値結果により、ユーザー接続と電力割り当ての共同最適化が、レートの公平性と信頼性においてベンチマーク手法を上回ることが確認された。