[論文レビュー] User Transmit Power Minimization through Uplink Resource Allocation and User Association in HetNets

Umar Farooq, Umair Sajid Hashmi+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2018

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 16被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、基地局における残余帯域を活用することで、ユーザーの送信電力を最小化する二段階型異種ネットワーク（HetNets）における統合上行リンクユーザ接続およびリソース割り当て方式を提案する。残余帯域が大きい基地局にユーザーを割り当てることで、同じQoS条件下でより広い帯域割り当てが可能となり、送信電力を低減できる。この方式により、平均上行リンク送信電力を-2.8 dBm（準分散型）および8.2 dBm（分散型）にまで低減し、Max RSRPおよびCIOベースの方式と比較して22.8 dBmおよび11.2 dBmの改善効果を達成した。

ABSTRACT

The popularity of cellular internet of things (IoT) is increasing day by day and billions of IoT devices will be connected to the internet. Many of these devices have limited battery life with constraints on transmit power. High user power consumption in cellular networks restricts the deployment of many IoT devices in 5G. To enable the inclusion of these devices, 5G should be supplemented with strategies and schemes to reduce user power consumption. Therefore, we present a novel joint uplink user association and resource allocation scheme for minimizing user transmit power while meeting the quality of service. We analyze our scheme for two-tier heterogeneous network (HetNet) and show an average transmit power of -2.8 dBm and 8.2 dBm for our algorithms compared to 20 dBm in state-of-the-art Max reference signal received power (RSRP) and channel individual offset (CIO) based association schemes.

研究の動機と目的

• 5G異種ネットワークにおける高い上行リンク送信電力の課題に対処し、バッテリ制限のあるIoTデバイスの展開を制限する要因を軽減する。
• HetNetsにおける上行リンクと下行リンクの非対称性を克服するため、上行リンクと下行リンクの接続を分離し、上行リンクの電力消費を最適化する。
• 品質保証（QoS）要件を満たしつつユーザーの送信電力を最小化することで、IoTデバイスのエネルギー効率を向上させる。
• 負荷バランスを改善するため、ユーザー接続意思決定プロセスに残余帯域を組み込むことで、マクロセルの過負荷を防ぐ。
• 電力効率の高い上行リンクリソース割り当ておよび接続方式により、5Gネットワークにおける低消費電力IoTデバイスの広範な展開を可能にする。

提案手法

• シャノン容量式を用いて、ユーザーの送信電力を送信先基地局（BS）との路損および割り当て帯域の関数として定式化する。
• 基地局における残余帯域を、既存ユーザーに割り当てられていない未使用スペクトルとして定義し、ユーザー接続における主要指標として用いる。
• 路損と残余帯域を組み合わせた新しい接続スコアを提案し、良好なチャネル品質と利用可能なスペクトルを両方備えた基地局を優先的に選択する。
• 中央集権的残余帯域情報を利用する準分散型と、局所的知識を利用する分散型の2つのアルゴリズムを実装し、両者とも送信電力最小化を最適化する。
• 残余帯域が利用可能である場合に限り、広帯域を割り当てることで、オポチュニスティックリソース割り当てを実現し、同じデータレートを達成するための送信電力を低減する。
• 上行リンク固有の最適化を可能にするために、上行リンクと下行リンクの接続を分離したアーキテクチャを採用し、上行リンク接続を下行リンク接続から分離することでエネルギー効率を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ユーザーの必要容量とQoSを維持しつつ、HetNetにおける上行リンク送信電力をどのように最小化できるか。
• RQ2 従来のRSRPまたはCIOベースの方式と比較して、ユーザー接続意思決定に残余帯域を組み込むことで、エネルギー効率はどの程度向上するか。
• RQ3 提案手法がHetNetsにおけるマクロセルとスモールセル間の負荷バランスに及ぼす影響は何か。
• RQ4 ネットワーク負荷と基地局密度が変化する条件下で、送信電力低減とスペクトル効率のトレードオフはどのように現れるか。
• RQ5 提案された統合接続およびリソース割り当てアルゴリズムの性能は、基地局密度およびネットワーク負荷状態にどの程度敏感か。

主な発見

• 提案された準分散型アルゴリズムにより、平均上行リンク送信電力を-2.8 dBmにまで低減し、Max RSRPおよびCIOベースの方式（20 dBm）と比較して22.8 dBmの改善効果を達成した。
• 分散型アルゴリズムは平均送信電力を8.2 dBmにまで低減し、20 dBmのベースラインと比較して11.2 dBmの低減を達成した。これは、局所的意思決定でも優れた性能を示している。
• 残余帯域を有するスモールセルを優先することで、マクロセルとスモールセル間の負荷バランスが効果的に実現され、1セクタあたり1つのスモールBSでもマクロセルの混雑を軽減した。
• 送信電力を低減したにもかかわらず、シャノン式により帯域が広がることで信号品質の悪化（SINRの低下）を補償でき、ユーザーの容量要件は常に満たされた。
• 3および12のスモールBS／セルという異なる基地局密度においても、性能向上が安定しており、さまざまなネットワーク条件下でのスケーラビリティと安定性を示した。
• 低負荷および中負荷状態では、広帯域割り当てのためスペクトル効率がわずかに低下するが、高負荷状態（残余帯域なし）ではスペクトル効率に変化がなく、安定した性能を維持した。