[論文レビュー] QoS-Aware User Association for Load Balancing in Heterogeneous Cellular Networks

Tianqing Zhou, Yongming Huang+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 25, 2013

Advanced MIMO Systems Optimization被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、到達可能速率とリソース負荷の両方を考慮して共同最適化するユーザー接続を用いて、異種無線セルラーネットワーク（HetNets）における負荷バランス化のためのQoS対応ユーザー接続方式を提案する。ネットワーク全体の重み付きユーティリティ最大化フレームワークを用い、理論的収束保証を備えた低複雑性分散アルゴリズムと集中型の最確率アルゴリズムを導入し、Yeのユーザーベース手法など従来手法と比較して優れた負荷バランス化、低いコールブロッキング、および高速な収束を達成する。

ABSTRACT

To solve the problem that the low capacity in hot-spots and coverage holes of conventional cellular networks, the base stations (BSs) having lower transmit power are deployed to form heterogeneous cellular networks (HetNets). However, because of these introduced disparate power BSs, the user distributions among them looked fairly unbalanced if an appropriate user association scheme hasn't been provided. For effectively tackling this problem, we jointly consider the load of each BS and user's achievable rate instead of only utilizing the latter when designing an association algorithm, and formulate it as a network-wide weighted utility maximization problem. Note that, the load mentioned above relates to the amount of required subbands decided by actual rate requirements, i.e., QoS, but the number of associated users, thus it can reflect user's actual load level. As for the proposed problem, we give a maximum probability (max-probability) algorithm by relaxing variables as well as a low-complexity distributed algorithm with a near-optimal solution that provides a theoretical performance guarantee. Experimental results show that, compared with the association strategy advocated by Ye, our strategy has a speeder convergence rate, a lower call blocking probability and a higher load balancing level.

研究の動機と目的

• 基地局（BS）の送信電力レベルの差異に起因する異種無線セルラーネットワークにおける負荷不均衡を是正すること。
• 信号強度やユーザー数に依存せず、ユーザーのQoS要件とBSの負荷を併用してネットワーク効率を向上させること。
• 理論的収束性と性能保証を備えた低複雑性分散アルゴリズムを設計し、リアルタイム導入を可能とすること。
• 負荷バランス化、ブロッキング確率、収束速度の観点から、提案手法を従来のユーザーベースおよびレートベースの接続戦略と比較・評価すること。

提案手法

• リソース制約下でのネットワーク全体の重み付きユーティリティ最大化としてユーザー接続問題を定式化し、負荷はQoSに応じた必要サブバンド数で定義する。
• 最適化問題を解くために変数を緩和し、集中型の最確率（max-probability）アルゴリズムを導入する。
• 双対分解を用いて分散アルゴリズムを開発し、低複雑性かつ高速な収束を達成する近最適性能を実現する。
• 異なるユーザー密度下での性能評価のために、MARF（上行リソース要件）およびMPRF（ランダム選択）の2つのスケジューリング戦略を用いる。
• 実際のリソース消費量に基づく負荷バランス化インデックスを定義し、単なるユーザー数ではなく真の負荷レベルを反映する。
• 双対分解を用いてグローバル問題をユーザーおよびBSが反復的に解ける局所的サブ問題に分解する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HetNetsにおけるユーザー接続をどのように最適化すれば、QoS要件を満たしつつ負荷バランスを達成できるか？
• RQ2 リソースベースの負荷指標（必要サブバンド数）とユーザー数ベースの負荷指標のどちらがシステム性能に与える影響が大きいのか？
• RQ3 分散アルゴリズムは、高速な収束と低信号交換量を実現しつつ、近最適性能を達成できるか？
• RQ4 提案されたQoS対応方式は、従来のユーザーベース接続戦略と比較して、負荷バランス化およびブロッキング確率の観点でどのように優れているか？

主な発見

• 提案されたQoS対応分散アルゴリズムはわずか3イテレーションで収束し、Yeの分散アルゴリズムよりも顕著に高速である。
• 最確率集中型アルゴリズムは分散型と比較して優れた負荷バランス化を達成しており、わずかに高い負荷バランス化インデックスを示す。
• MARFスケジューリング戦略（リソース要件が低いユーザーを優先）は、MPRFより全体的な負荷バランス化において優れている。これは、より効率的なリソース利用に起因する。
• 提案手法は、Yeのユーザーベースアルゴリズムと比較してコールブロッキング確率を低減し、より高い負荷バランス化インデックスを達成する。
• マクロセルティアではMARFとMPRFの負荷バランス化インデックスはほとんど同一であり、マクロセルは小セルのインタリフェンスやリソース不足の影響を受けにくいためである。
• 特に密度が高くまたはインタリフェンスが顕著な小セル展開では、ユーザー数ベースの指標よりもリソースベースの負荷指標が、より正確な負荷バランス化を実現する。