[論文レビュー] Price-Based Resource Allocation for Spectrum-Sharing Femtocell Networks: A Stackelberg Game Approach

Xin Kang, Rui Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2011

Advanced MIMO Systems Optimization被引用数 36

ひとこと要約

本稿では、上行リンクのスプライスシェアリングフェモセルネットワークにおける、スタックルベルクゲームに基づく価格ベースのリソース割り当て方式を提案する。マクロセル基地局（MBS）が干渉価格を設定することで自己保護を図り、フェモセルは自身の電力割り当てを最適化する。本手法は干渉制約下で共同効用最大化を達成し、分散型アルゴリズムにより収束性と最小限のネットワークオーバーヘッドを実現する。特に、農村（スパarsely）および都市（dense）な展開シナリオにおいて有効である。

ABSTRACT

This paper investigates the price-based resource allocation strategies for the uplink transmission of a spectrum-sharing femtocell network, in which a central macrocell is underlaid with distributed femtocells, all operating over the same frequency band as the macrocell. Assuming that the macrocell base station (MBS) protects itself by pricing the interference from the femtocell users, a Stackelberg game is formulated to study the joint utility maximization of the macrocell and the femtocells subject to a maximum tolerable interference power constraint at the MBS. Especially, two practical femtocell channel models: sparsely deployed scenario for rural areas and densely deployed scenario for urban areas, are investigated. For each scenario, two pricing schemes: uniform pricing and non-uniform pricing, are proposed. Then, the Stackelberg equilibriums for these proposed games are studied, and an effective distributed interference price bargaining algorithm with guaranteed convergence is proposed for the uniform-pricing case. Finally, numerical examples are presented to verify the proposed studies. It is shown that the proposed algorithms are effective in resource allocation and macrocell protection requiring minimal network overhead for spectrum-sharing-based two-tier femtocell networks.

研究の動機と目的

• マクロセルとフェモセルが同じスケーリングバンドを共有する二層構造フェモセルネットワークにおけるクロスティア干渉を解決すること。
• 価格メカニズムを用いてマクロセルの過度な干渉から保護しつつ、効率的なリソース割り当てを可能にすること。
• 最小限のネットワークシグナルオーバーヘッドで収束する分散型干渉価格交渉アルゴリズムを開発すること。
• スパarsely展開（農村）およびdense展開（都市）という2つの現実的なフェモセル展開シナリオにおける性能を評価すること。
• 最適な効用と干渉管理を実現するための均一価格と非均一価格の2種類の価格スキームを比較すること。

提案手法

• MBSをリーダーとするスタックルベルクゲームを定式化し、フェモセルは干渉価格に基づいて電力割り当てを最適化する。
• 2種類の価格スキームを導入：均一価格（全フェモセルに同一価格）と非均一価格（各フェモセルごとに異なる価格）で、展開シナリオに応じて最適化する。
• 最適化技術とラグランジュ双対性を用いて、両価格スキームにおけるスタックルベルク均衡の閉形式表現を導出する。
• 均一価格の場合に収束が保証される分散型干渉価格交渉アルゴリズムを提案する。
• 双対分解とカールシュ＝クーン＝タッカー（KKT）条件を用いて、干渉電力制約下でのスルーレート最大化問題を解く。
• MBSにおける集約干渉が許容しきい値以下に保たれるように、干渉温度制約を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スペクトル共有型二層フェモセルネットワークにおいて、フェモセルからの干渉を効果的に管理する方法は何か？
• RQ2 マクロセルの性能を保護しつつ、フェモセルが自身の効用を最大化できる価格戦略は何か？
• RQ3 スパarselyおよびdenseなフェモセル展開において、均一価格と非均一価格の2種類のスキームの性能はどのように比較できるか？
• RQ4 分散型アルゴリズムは、最小限のシグナルオーバーヘッドでスタックルベルク均衡に収束できるか？
• RQ5 マクロセルの保護とフェモセルスルーレートの両立を最適に実現する干渉価格は何か？

主な発見

• 提案されたスタックルベルクゲームフレームワークは、干渉制約下でもマクロセルとフェモセルの両方の効用を共同で最大化することに成功した。
• 分散型干渉価格交渉アルゴリズムは、均一価格の場合にスタックルベルク均衡に収束し、実用的展開の可能性を保証した。
• 均一価格スキームでは、双対分解とKKT条件を用いて最適干渉価格を閉形式で導出できた。
• 数値結果から、提案アルゴリズムが干渉を効果的に管理し、最小限のネットワークオーバーヘッドで高いスペクトル効率を維持していることが確認された。
• 非均一価格スキームは、都市部の密集展開において、フェモセルごとの干渉制御をより精密に可能にするため、均一価格を上回る性能を示した。
• 干渉制約下でのスルーレート最大化問題は凸であることが示され、均一価格の場合にその双対解が最適価格ベクトルに収束することが確認された。