[논문 리뷰] A Utility-Based Approach to Power Control and Receiver Design in Wireless Data Networks

Farhad Meshkati, H. Vincent Poor외 2명|ArXiv.org|2005. 07. 05.

Wireless Communication Networks Research참고 문헌 22인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 DS-CDMA 업링크 네트워크에서 사용자가 독립적으로 전송 전력과 수신기 유형(일치 필터, 디코릴레이터, 또는 MMSE)을 최적화하여 에너지 효율성(비트당 줄)을 극대화하는 게임 이론적 프레임워크를 제안한다. 주요 결과는 나시 균형이 모든 사용자 간 동일한 출력 신호대간섭비잡음비(SIR)를 달성하는 SIR 균형을 이룩하며, MMSE 수신기가 가장 높은 에너지 효율성을 제공함을 보여주며, 다중 수신 안테나와 유틸리티 기반의 입국 제어로 상당한 성능 향상이 가능하다.

ABSTRACT

In this work, the cross-layer design problem of joint multiuser detection and power control is studied using a game-theoretic approach. The uplink of a direct-sequence code division multiple access (DS-CDMA) data network is considered and a non-cooperative game is proposed in which users in the network are allowed to choose their uplink receivers as well as their transmit powers to maximize their own utilities. The utility function measures the number of reliable bits transmitted by the user per joule of energy consumed. Focusing on linear receivers, the Nash equilibrium for the proposed game is derived. It is shown that the equilibrium is one where the powers are SIR-balanced with the minimum mean square error (MMSE) detector as the receiver. In addition, this framework is used to study power control games for the matched filter, the decorrelator, and the MMSE detector; and the receivers' performance is compared in terms of the utilities achieved at equilibrium (in bits/Joule). The optimal cooperative solution is also discussed and compared with the non-cooperative approach. Extensions of the results to the case of multiple receive antennas are also presented. In addition, an admission control scheme based on maximizing the total utility in the network is proposed.

연구 동기 및 목표

• 업링크 DS-CDMA 네트워크에서 전력 제어와 다중 사용자 검출을 동시에 최적화하는 계층 간 설계 문제를 해결하기 위해.
• 사용자 행동을 비협력 게임으로 모델링하여 각 사용자가 전송 전력과 수신기 유형을 선택해 개인의 유틸리티(비트당 줄)를 극대화하도록 하기 위해.
• 게임의 나시 균형을 분석하고, 일치 필터, 디코릴레이터, MMSE와 같은 다양한 선형 수신기 간 성능을 비교하기 위해.
• 다중 수신 안테나로 인한 성능 향상도를 정량화하고 유틸리티 극대화 입국 제어 기법을 개발하기 위해.
• 비협력 게임 이론적 해법과 최적의 협력적(중앙집중식) 해법 간 에너지 효율성과 시스템 용량 측면에서의 성능을 비교하기 위해.

제안 방법

• 각 사용자가 전송 전력과 수신기 유형을 선택하여 에너지당 비트 수를 측정하는 유틸리티 함수를 극대화하는 비협력 게임을 수립한다.
• 선형 수신기의 나시 균형을 유도하여, 균형 상태가 모든 사용자 간 동일한 출력 SIR를 달성하는 SIR 균형과 대응됨을 보여준다.
• 대규모 시스템 분석을 활용해 일치 필터, 디코릴레이터, MMSE 수신기의 균형 유틸리티에 대한 닫힌 형태의 수식을 유도한다.
• 다중 안테나 업링크 수신기로 프레임워크를 확장하여 전력 집합 및 간섭 감소 효과를 모델링한다.
• 사용자 부하와 분포를 최적화하여 총 네트워크 유틸리티를 극대화하는 유틸리티 극대화 입국 제어 기법을 제안한다.
• 비협력 균형과 파레토 최적의 협력 해법을 비교하여 효율 손실과 시스템 성능 트레이드오프를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사용자가 분산된 비협력 방식으로 전력과 수신기 유형을 함께 최적화할 경우, 균형 행동은 어떻게 되는가?
• RQ2 수신기 선택(일치 필터, 디코릴레이터, MMSE)이 균형 상태에서 에너지 효율성(유틸리티)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 다중 수신 안테나 사용으로 인한 유틸리티와 시스템 용량 향상은 어느 정도인가?
• RQ4 비협력 게임 이론적 해법과 최적의 협력 해법 간 총 유틸리티와 사용자 공정성 측면에서의 성능 비교는 어떻게 되는가?
• RQ5 기존의 부하 기반 입국 제어보다 더 많은 사용자를 수용하고 에너지 효율성을 향상시키는 유틸리티 극대화 입국 제어 기법을 설계할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 게임의 나시 균형은 모든 사용자가 동일한 출력 SIR를 확보하는 SIR 균형 솔루션으로, 사용된 수신기 유형과는 무관하다.
• MMSE 수신기는 균형 상태에서 가장 높은 유틸리티(비트당 줄)를 달성하며, 일치 필터와 디코릴레이터를 크게 앞서며 성능을 냅니다.
• 두 개의 수신 안테나를 사용할 경우, MMSE 수신기의 평균 유틸리티가 상당히 증가하며, 이는 일치 필터와 디코릴레이터보다 더 두드러진 성능 향상이 나타납니다.
• MMSE 수신기의 경우, 제안된 유틸리티 극대화 입국 제어 기법을 적용했을 때의 총 수용 사용자 수는 일치 필터와 디코릴레이터의 수용 사용자 수의 합보다 크거나 같습니다.
• 비협력 해법과 협력 해법 간 성능 격차는 디코릴레이터와 MMSE 수신기에서는 미미하며, 오직 일치 필터에서만 뚜렷한 차이가 나타납니다.
• 총 유틸리티를 극대화하는 시스템 부하는 58% (Γ = 0.5)로, 네트워크 내 최적의 사용자 분포와 부하 균형을 나타냅니다.