[論文レビュー] Multi-User Scheduling in the 3GPP LTE Cellular Uplink

Narayan Prasad, Honghai Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2012

Advanced Wireless Network Optimization参考文献 15被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、連続リソースブロック、共スケジューリングの重複、電力プールリングといった実用的制約を考慮した3GPP LTEアップリンクにおけるマルチユーザー スケジューリングのためのローカル レシオ テスト（LRT）に基づく多項式時間近似アルゴリズムを提案する。問題がAPX-hardであることを証明し、明示的な性能バウンドを伴う定数因子近似を達成する。

ABSTRACT

In this paper, we consider resource allocation in the 3GPP Long Term Evolution (LTE) cellular uplink, which will be the most widely deployed next generation cellular uplink. The key features of the 3GPP LTE uplink (UL) are that it is based on a modified form of the orthogonal frequency division multiplexing based multiple access (OFDMA) which enables channel dependent frequency selective scheduling, and that it allows for multi-user (MU) scheduling wherein multiple users can be assigned the same time-frequency resource. In addition to the considerable spectral efficiency improvements that are possible by exploiting these two features, the LTE UL allows for transmit antenna selection together with the possibility to employ advanced receivers at the base-station, which promise further gains. However, several practical constraints that seek to maintain a low signaling overhead, are also imposed. In this paper, we show that the resulting resource allocation problem is APX-hard and then propose a local ratio test (LRT) based constant-factor polynomial-time approximation algorithm. We then propose two enhancements to this algorithm as well as a sequential LRT based MU scheduling algorithm that offers a constant-factor approximation and is another useful choice in the complexity versus performance tradeoff. Further, user pre-selection, wherein a smaller pool of good users is pre-selected and a sophisticated scheduling algorithm is then employed on the selected pool, is also examined. We suggest several such user pre-selection algorithms, some of which are shown to offer constant-factor approximations to the pre-selection problem. Detailed evaluations reveal that the proposed algorithms and their enhancements offer significant gains.

研究の動機と目的

• 連続リソースブロック、共スケジューリングの重複、電力プールリングといった実用的制約の下での3GPP LTEアップリンクにおける効率的マルチユーザー スケジューリングの課題に対処する。
• 周波数選択的スケジューリングおよび送信アーチテクチャ選択の下で制約付き最適化問題としてリソース割り当て問題を定式化する。
• 3GPP LTEアップリンクにおけるマルチユーザー スケジューリング問題がAPX-hardであることを証明し、多項式時間で最適解を得ることはP=NPでない限り不可能であることを示す。
• 定数因子性能バウンドを保証するローカル レシオ テスト（LRT）に基づく近似アルゴリズムを設計する。
• LRTアルゴリズムの向上およびユーザー事前選択技術を検討し、低コストを維持しながら性能を向上させる。

提案手法

• LTEアップリンクにおけるNP-hardなマルチユーザー スケジューリング問題を解くローカル レシオ テスト（LRT）に基づく多項式時間近似アルゴリズムを提案する。
• 定数因子近似を提供し、複雑さと性能のトレードオフを実現する逐次LRTベースのスケジューリングアルゴリズムを導入する。
• スケジューリングプールのサイズを削減しながらも定数因子近似保証を維持するユーザー事前選択アルゴリズムを設計する。
• 連続RB割り当て、共スケジューリングユーザーの完全な重複、および割り当てられたRB間での均一な電力割り当てといった制約を含むスケジューリング問題をモデル化する。
• サブモジュラ最大化とナップサック制約の緩和を用い、近似比をバウンドし、最適解がLRT解の$ T+1+ abla+2J $倍以内にあることを証明する。
• Zadoff-Chu系列の構造を活用して共スケジューリング制約を強制し、信頼性の高いチャネル推定を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3GPP LTEアップリンクにおける実用的制約の下でのマルチユーザー スケジューリングの計算複雑性は何か？
• RQ2 LTEアップリンク スケジューリング問題に対して、定数因子性能バウンドを保証する多項式時間近似アルゴリズムを設計できるか？
• RQ3 ユーザー事前選択戦略は、LTEアップリンクにおけるマルチユーザー スケジューリングの性能と複雑さにどのように影響するか？
• RQ4 共スケジューリング制約および電力プールリングは、効率的なスケジューリングアルゴリズムの設計にどのような影響を及ぼすか？
• RQ5 LRTベースのアプローチは、保証された近似性能を維持したまま、性能を向上させることで強化できるか？

主な発見

• 3GPP LTEアップリンクにおけるマルチユーザー スケジューリング問題がAPX-hardであることが証明され、P≠NPである限り、多項式時間で最適解を得ることは不可能であることが示された。
• 提案されたLRTベースのアルゴリズムは、性能バウンド$ \/frac{1}{T+1+\nabla+2J} $を達成する定数因子近似を実現する。ここで$ T $はグループあたりの最大ユーザー数、$ \nabla $はバイナリナップサック制約の数、$ J $は一般ナップサック制約の数を表す。
• LRTアルゴリズムの改善策として逐次スケジューリングとユーザー事前選択が、近似保証を損なわずにシミュレーションで顕著な性能向上をもたらした。
• ユーザー事前選択アルゴリズムが、事前選択問題に対して定数因子近似を提供することが示され、探索空間を削減しながらスケジューリング効率を維持した。
• 提案されたアルゴリズムは、ベースライン手法と比較して顕著なスペクトル効率の向上を達成した。特に、高移動度およびマルチパスフェージング環境で顕著であった。
• 割り当てられたRB間での均一な電力割り当ての仮定は、マルチユーザー多様性による性能損失が無視できる程度であり、電力プールリング制約の実用性を裏付けた。