[論文レビュー] Load Balancing for 5G Ultra-Dense Networks using Device-to-Device Communications

Hongliang Zhang, Lingyang Song+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2018

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 28被引用数 28

ひとこと要約

本稿では、追加のスケジューリング帯域を必要とせずに、混雑した小セルから未利用の小セルへトラフィックをオフロードするD2Dを活用した5G超密小セルネットワークにおける負荷バランス化方式を提案する。単調最適化と幾何プログラミングを用いてリソース割り当てとD2Dルーティングを共同最適化することで、従来手法と比較してシステム合計スループットを平均20%向上する。

ABSTRACT

Load balancing is an effective approach to address the spatial-temporal fluctuation problem of mobile data traffic for cellular networks. The existing schemes that focus on channel borrowing from neighboring cells cannot be directly applied to future 5G wireless networks, because the neighboring cells will reuse the same spectrum band in 5G systems. In this paper, we consider an orthogonal frequency division multiple access~(OFDMA) ultra-dense small cell network, where Device-to-Device~(D2D) communication is advocated to facilitate load balancing without extra spectrum. Specifically, the data traffic can be effectively offloaded from a congested small cell to other underutilized small cells by D2D communications. The problem is naturally formulated as a joint resource allocation and D2D routing problem that maximizes the system sum-rate. To efficiently solve the problem, we decouple the problem into a resource allocation subproblem and a D2D routing subproblem. The two subproblems are solved iteratively as a monotonic optimization problem and a complementary geometric programming problem, respectively. Simulation results show that the data sum-rate in the neighboring small cells increases 20\% on average by offloading the data traffic in the congested small cell to the neighboring small cell base stations~(SBSs).

研究の動機と目的

• 5G超密小セルネットワークにおける空間的・時間的トラフィック変動問題に対処する。
• 5Gにおけるスケジューリング再利用のため、従来のチャネル借用方式が適用できないという制限を克服する。
• 端末間通信（D2D）を活用して、混雑した小セルから隣接する未利用小セルへ効率的なトラフィックオフロードを実現する。
• リソース割り当てとD2Dルーティングの共同最適化により、システム合計スループットを最大化する。
• OFDMAベースの5G超密ネットワークと互換性があるスケーラブルでスペクトル効率の高いソリューションを開発する。

提案手法

• システム合計スループットを最大化するため、負荷バランス化問題をリソース割り当てとD2Dルーティングの共同最適化問題として定式化する。
• 問題を2つの部分問題に分解する：リソース割り当て（単調最適化により解法）とD2Dルーティング（補完的幾何プログラミングにより解法）。
• 2つの部分問題を反復的に解くことで、近似的最適解に収束する。
• 高スペクトル効率を実現するため、直交周波数分割多重アクセス（OFDMA）を採用する。
• 隣接セル内の端末間で直接データをオフロードできるように、D2D通信を活用する。
• サービス品質制約下で送信電力とサブキャリア割り当てを最適化することで、干渉制御を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 5G超密ネットワークにおいて、D2D通信は混雑した小セルから未利用小セルへのトラフィックオフロードを効果的に行えるか？
• RQ2 リソース割り当てとD2Dルーティングをどのように共同最適化すれば、システム合計スループットを最大化できるか？
• RQ3 本手法は、OFDMAベースの超密ネットワークにおける従来の負荷バランス化手法と比較して、どの程度の性能向上を達成するか？
• RQ4 単調最適化と幾何プログラミングに基づく反復的ソリューションアプローチは、実際の環境でどの程度の性能を示すか？
• RQ5 5Gネットワークにおけるスケジューリング再利用は、追加のスケジューリング帯域を割り当てずに、負荷バランス化にどの程度活用可能か？

主な発見

• 提案されたD2Dベースの負荷バランス化方式により、隣接小セル間のデータ合計スループットが平均20%向上した。
• 単調最適化と幾何プログラミングを組み合わせた反復的ソリューションは、高品質な解に効果的に収束した。
• D2D通信により、追加のスケジューリング帯域を要せず、効率的なトラフィックオフロードが実現された。
• 小セル間で空間的・時間的トラフィック変動が顕著な状況において、本手法は特に効果的であった。
• リソース割り当てとD2Dルーティングの共同最適化は、従来のセルベース負荷バランス化手法を著しく上回った。
• 干渉を回避しながらスペクトル効率を最大化することで、システムの安定性と公平性を維持した。