[論文レビュー] Resource Allocation in Dynamic TDD Heterogeneous Networks under Mixed Traffic

Qiang Fan, Hancheng Lu+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 21被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、混合トラフィック下での動的TDD異種ネットワークにおいて、基地局でのネットワーク容量の最大化と端末でのネットワークユーティリティの最大化を組み合わせることで、低消費電力ほぼブランクサブフレーム（LP-ABS）に基づくリソース割り当て方式を提案する。この手法は、マクロセルから小セルへの干渉を低減することでスペクトル効率とQoS満足度を向上させつつ、変動するトラフィック需要に対しても柔軟性を維持し、従来のメカニズムに比べてスルーレートとサービスレートの信頼性で優れる。

ABSTRACT

Recently, Dynamic Time Division Duplex (TDD) has been proposed to handle the asymmetry of traffic demand between DownLink (DL) and UpLink (UL) in Heterogeneous Networks (HetNets). However, for mixed traffic consisting of best effort traffic and soft Quality of Service (QoS) traffic, the resource allocation problem has not been adequately studied in Dynamic TDD HetNets. In this paper, we focus on such problem in a two-tier HetNet with co-channel deployment of one Macro cell Base Station (MBS) and multiple Small cell Base Stations (SBSs) in hotspots. Different from existing work, we introduce low power almost blank subframes to alleviate MBS-to-SBS interference which is inherent in TDD operation. To tackle the resource allocation problem, we propose a two-step strategy. First, from the view point of base stations, we propose a transmission protocol and perform time resource allocation by formulating and solving a network capacity maximization problem under DL/UL traffic demands. Second, from the view point of User Equipments (UEs), we formulate their resource allocation as a Network Utility Maximization (NUM) problem. An efficient iterative algorithm is proposed to solve the NUM problem. Simulations show the advantage of the proposed algorithm in terms of network throughput and UE QoS satisfaction level.

研究の動機と目的

• 動的TDD異種ネットワークにおける非対称的かつ時間変動するダウンリンクおよびアップリンクのトラフィック需要の課題に対処すること。
• 共周波数配置における高出力マクロセル送信による深刻なMBSからSBSへの干渉を軽減すること。
• トラフィック変動が激しい小セルにおけるスペクトル効率とシステムの柔軟性を向上させること。
• 統合されたリソース割り当て枠組み内で、ソフトQoSトラフィックのQoS満足度を確保するとともに、ベストエフォートトラフィックをサポートすること。
• 基地局とユーザー端末のリソース使用を統合的に最適化する二段階リソース割り当て戦略を開発すること。

提案手法

• マクロ基地局（MBS）で低出力ほぼブランクサブフレーム（LP-ABS）を導入し、サブフレームをブランクにすることなく、ダウンリンク送信電力を低減することで、小セルのアップリンク伝送への干渉を最小限に抑える。
• 基地局レベルのリソース割り当てを、トラフィック需要に応じて通常のDL/UL期間とLP-ABS期間にフレームを分割するネットワーク容量最大化問題として定式化する。
• ユーザー端末レベルのリソース割り当てを、UE間のスルーレートとQoS満足度のバランスを取るネットワークユーティリティ最大化（NUM）問題としてモデル化する。
• UEレベルでの分散的かつスケーラブルなリソース割り当てを可能にする、効率的な反復的アルゴリズムを提案する。
• MBSでの電力制御とSBSでの動的サブフレーム設定を統合し、小セルにおける変動するDL/ULトラフィックに適応する。
• 二段階戦略を用いる：まず基地局でネットワーク容量を最適化し、次にUEでユーザーユーティリティを最大化することで、干渉低減と公平性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 混合トラフィックを伴う動的TDD異種ネットワークにおいて、MBSからSBSへの干渉をどのように効果的に軽減できるか？
• RQ2 従来のABSまたはeICICメカニズムと比較して、LP-ABSはスペクトル効率をどの程度向上させるか？
• RQ3 提案された二段階リソース割り当て戦略は、混合トラフィックタイプのスルーレートとQoS満足度のバランスをどのようにとるか？
• RQ4 トラフィック負荷とレート要件が、提案されたメカニズム下でのソフトQoSフローの性能に与える影響は何か？
• RQ5 提案されたメカニズムは、変動するネットワーク負荷とトラフィック非対称性の下でも、性能をどのように維持するか？

主な発見

• 提案されたLP-ABSメカニズムは、すべてのネットワーク負荷において、eICIC、同期的、UM-ABSメカニズムに比べて優れたダウンリンクスルーレートを達成する。
• アップリンク方向では、eICICおよび同期的スキームと同等の性能を示し、UM-ABSに比べてはるかに優れており、クロスリンク干渉が低減されているためである。
• ソフトQoSトラフィックに関しては、要求レートがシステムのリソース予算内にある限り、レート違反確率がほぼゼロを維持する。
• ソフトQoSトラフィックの要求レートが0.2 Mbpsから1 Mbpsに増加しても、ベストエフォートフローの平均スルーレートはゆっくりと低下するが、特にアップリンク方向で顕著である。
• UM-ABSメカニズムは、ULサブフレームの割り当てがなく、SBSからMBSへの深刻な干渉があるため、両方向で最も悪い性能を示す。
• 提案されたメカニズムは、LP-ABSと動的設定を活用してスペクトルリソースを効率的に活用するとともに、ソフトQoSフローを優先することで、高いQoS満足度とスルーレートを維持する。