[論文レビュー] Non-cooperative games for spreading code optimization, power control and receiver design in wireless data networks

Stefano Buzzi, H. Vincent Poor|ArXiv.org|May 6, 2007

Wireless Communication Networks Research参考文献 10被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、DS-CDMA無線ネットワークにおけるスプリーディングコード、送信電力、受信機設計の共同最適化を目的とした非協力ゲーム理論的フレームワークを提案する。これにより、ユーザー固有のエネルギー効率（単位電力あたりのスループット）を最大化する。線形および非線形マルチユーザー受信機—特にスプリーディングコード最適化を組み合わせた場合—が顕著な性能向上を達成することが示され、一意なナッシュ均衡が存在することが証明されており、さまざまなシステム負荷において、先行研究を上回る性能を示すシミュレーション結果が得られた。

ABSTRACT

This paper focuses on the issue of energy efficiency in wireless data networks through a game theoretic approach. The case considered is that in which each user is allowed to vary its transmit power, spreading code, and uplink receiver in order to maximize its own utility, which is here defined as the ratio of data throughput to transmit power. In particular, the case in which linear multiuser detectors are employed at the receiver is treated first, and, then, the more challenging case in which non-linear decision feedback multiuser receivers are adopted is addressed. It is shown that, for both receivers, the problem at hand of utility maximization can be regarded as a non-cooperative game, and it is proved that a unique Nash equilibrium point exists. Simulation results show that significant performance gains can be obtained through both non-linear processing and spreading code optimization; in particular, for systems with a number of users not larger than the processing gain, remarkable gains come from spreading code optimization, while, for overloaded systems, the largest gainscome from the use of non-linear processing. In every case, however, the non-cooperative games proposed here are shown to outperform competing alternatives.

研究の動機と目的

• 上行リンクDS-CDMAネットワークにおけるエネルギー効率を向上させるために、ユーザーが送信電力、スプリーディングコード、受信機構造を独立して最適化できる仕組みを提供すること。
• 各ユーザーが自身の利得（送信電力あたりのスループット）を最大化する非協力ゲームとして、電力制御、スプリーディングコード選択、受信機設計の共同最適化をモデル化すること。
• 線形および非線形受信機の両状況において、ナッシュ均衡の存在および一意性を証明し、非協力的ユーザー行動下での安定したシステム運用を保証すること。
• さまざまなシステム負荷（過負荷 vs. 軽負荷）におけるスプリーディングコード最適化および非線形干渉除去の性能向上を評価すること。

提案手法

• 各ユーザーが送信電力、スプリーディングコード、受信機構造を独立に選択し、利得（スループット／電力比）を最大化する非協力ゲームを定式化する。
• 線形受信機の場合、反復的電力およびコード最適化を用いたゲーム理論的フレームワークを採用し、大システム解析を活用して収束特性を導出する。
• 非線形フィードバック受信機の場合、二段階ゲームを導入：最初に電力を最適化し、次にスプリーディングコードと電力を同時に最適化する反復アルゴリズムを適用する。
• マルチユーザー干渉を抑制するために、フィードバックを組み込んだ修正された最小分散誤差（MMSE）受信機を採用し、SINRおよびスループットを向上させる。
• 受信機設計におけるユニットノルムスプリーディングコードの導出条件を固有値分解を用いて導出し、正則化パrameter（μk）の反復的調整を実施する。
• 大システム解析を用いて、処理増幅率Nが大きい極限におけるシステム行動を特徴づけ、解析可能な均衡解析を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 上行リンクCDMAネットワークにおいて、ユーザーが送信電力、スプリーディングコード、受信機設計を共同で最適化する非協力ゲームにおいて、一意なナッシュ均衡が存在するか？
• RQ2 スプリーディングコード最適化および非線形受信機設計は、軽負荷（K ≤ N）と過負荷（K > N）のCDMAシステムにおいて、エネルギー効率およびシステム性能にどのように影響を与えるか？
• RQ3 さまざまなシステム負荷において、スプリーディングコード最適化と非線形干渉除去の相対的性能向上はどの程度か？
• RQ4 受信機を固定するか、スプリーディングコード最適化を省略する従来の手法と比較して、提案されたゲーム理論的フレームワークはどのように優れているか？
• RQ5 ゲーム構造に基づく反復アルゴリズムは、ユニットノルムスプリーディングコードを維持しながら、一意な均衡に収束するか？

主な発見

• 線形および非線形受信機の両状況において、一意なナッシュ均衡が存在し、非協力的ユーザー行動下でも安定的かつ予測可能なシステム運用が保証される。
• K ≤ N（軽負荷）のシステムでは、スプリーディングコード最適化が最も顕著な性能向上をもたらし、平均出力SINRが向上し、最大電力で送信するユーザーの割合が著しく減少する。
• 過負荷システム（K > N）では、非線形フィードバック受信機（特にSIC/MMSE）が最大の利得をもたらし、線形受信機および固定コード方式を上回る。
• 提案された非協力ゲームは、すべてのシステム負荷において、受信機設計と電力のみ最適化するベンチマークゲーム[7]を常に上回る性能を示す。
• フェージングおよびパスロスが存在する状況でも、コード最適化を施したSIC/MMSE受信機は、平均出力SINRが目標γ̄未満を維持しており、一部のユーザーが電力制限を超えない限り最適SINRに到達できないことを示している。
• コード最適化を施したSIC/MMSEケースでは、最大電力で送信するユーザーの割合が10％を超えることが判明し、実用的展開において適応的電力制御の必要性が浮き彫りになった。