[論文レビュー] Joint User Association and Power Control for Load Balancing in Downlink Heterogeneous Cellular Networks

Tianqing Zhou|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 25被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、下行異種セルラーネットワーク（HCNs）における負荷バランスのための、2つの統合的ユーザ接続および電力制御方式を提案する。有効レート最大化を用いることで、トラフィックのバランスと干渉の低減を実現する。2段階反復アルゴリズムは、従来の方式に比べてより高い負荷バランスゲインとエネルギー効率を達成し、電力制御を統合した方式が、スループットおよびエネルギー効率の両面で他を上回る性能を示す。

ABSTRACT

Instead of achievable rate in the conventional association, we utilize the effective rate to design two association schemes for load balancing in heterogeneous cellular networks (HCNs), which are both formulated as such problems with maximizing the sum of effective rates. In these two schemes, the one just considers user association, but the other introduces power control to mitigate interference and reduce energy consumption while performing user association. Since the effective rate is closely related to the load of some BS and the achievable rate of some user, it can be used as a key factor of association schemes for load balancing in HCNs. To solve the association problem without power control, we design a one-layer iterative algorithm, which converts the sum-of-ratio form of original optimization problem into a parameterized polynomial form. By combining this algorithm with power control algorithm, we propose a two-layer iterative algorithm for the association problem with power control. Specially, the outer layer performs user association using the algorithm of problem without power control, and the inner layer updates the transmit power of each BS using a power update function (PUF). At last, we give some convergence and complexity analyses for the proposed algorithms. As shown in simulation results, the proposed schemes have superior performance than the conventional association, and the scheme with joint user association and power control achieves a higher load balancing gain and energy efficiency than conventional scheme and other offloading scheme.

研究の動機と目的

• 従来の信号強度に基づくユーザ接続方式によるユーザ負荷分布の不均衡を是正すること。
• 過負荷の基地局（BS）から未利用の基地局へユーザを知的にオフロードすることで、システムリソースの効率的利用とユーザ体験の向上を実現すること。
• 統合的電力制御とユーザ接続により、階層間干渉を同時に低減し、エネルギー消費を削減すること。
• 実世界のHCNsへの実用的導入を想定したスケーラブルで収束性のあるアルゴリズムフレームワークを設計すること。

提案手法

• 従来の実現可能レートの代わりに有効レートを用いることで、負荷とサービス品質のトレードオフを反映させ、ユーザ接続を総有効レート最大化問題として定式化する。
• 電力制御なしの1段階反復アルゴリズムを提案し、非凸な総比の問題をパラメータ化された多項式形式に変換する。
• 統合的ユーザ接続と電力制御のための2段階反復アルゴリズムを開発する。外側ループでは1段階アルゴリズムを用いてユーザ接続を実行し、内側ループでは電力更新関数（PUF）を用いてBS送信電力を更新する。
• 内側ループに電力更新関数（PUF）を統合し、動的電力調整と干渉抑制を実現する。
• 収束性および計算複雑度の分析を適用し、提案された2段階アルゴリズムの安定性と実用性を検証する。
• 有効レートを性能指標として用いることで、ユーザ品質とBS負荷の両方を内蔵的に捉え、負荷バランスに配慮した接続意思決定を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有効レートをどのように指標として用いることで、HCNsにおける負荷バランスの取れたユーザ接続を実現できるか？
• RQ2 負荷バランスおよびエネルギー効率の観点から、従来の接続方式に比べて統合的ユーザ接続と電力制御がもたらす性能向上はどの程度か？
• RQ3 システムスループットと電力消費をバランスさせる中で、2段階反復アルゴリズムは効率的に収束するか？
• RQ4 電力制御は、異種BSを有する下行HCNsにおいて、どのように干渉管理とエネルギー効率を向上させるか？
• RQ5 ユーザ接続の影響は、過負荷のマクロセルにおけるエッジユーザの平均レートとエネルギー効率にどのように現れるか？

主な発見

• 統合的ユーザ接続と電力制御を組み合わせた提案方式JUAPCMSERは、すべての方式の中で最高の平均エネルギー効率を達成し、従来の接続方式や他のオフロード手法を著しく上回る性能を示す。
• JUAPCMSER方式は、干渉低減のための電力制御による恩恵を受けるため、単にユーザ接続のみを実行するUAMSER方式に比べ、より高い負荷バランスゲインとエネルギー効率を達成する。
• シミュレーション結果から、MAR（最大実現可能レート接続）方式は、最も高い平均レートを示すが、負荷の不均衡が深刻であることが判明した。これは、少数の高レートユーザが未利用のBSに接続されているためである。
• 提案された2段階反復アルゴリズムは、図8に示すように、急速に収束することが確認された。外側ループ、ユーザ接続、および電力制御の各コンponentが、高い収束速度を示している。
• JUAPCMSERの平均レートおよびエネルギー効率は、AUFおよびUAMSERを上回る。特に、UAMSERは、より良い負荷分布のおかげで、AUFに比べて高いスループットと優れたエネルギー効率を達成している。
• 高負荷状態では、各方式間の性能差が拡大する傾向にあり、これは知的オフロードが過負荷ネットワークにおけるエッジユーザの体験を著しく向上させることを示している。