[논문 리뷰] Coordinated Scheduling and Spectrum Sharing via Matrix Fractional Programming.

Kaiming Shen, Wei Yu외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 16.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 36인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 장치 간(D2D) 통신을 위한 새로운 조율 프레임워크인 FPLinQ를 제안한다. FPLinQ는 링크 스케줄링, 전력 제어, 빔포밍, 사용자 쌍화를 종합적으로 최적화하기 위해 행렬 분수 프로그래밍(MFP)을 사용한다. 스칼라 및 벡터 분수 프로그래밍을 다중 데이터 스트림과 임의의 장치 연결을 처리할 수 있도록 일반화함으로써, FPLinQ는 기존의 FlashLinQ 및 ITLinQ+와 같은 방법들보다 간섭 제한 환경에서 상당한 스펙트럼 효율성 향상을 달성한다.

ABSTRACT

Interference management is a fundamental issue in device-to-device (D2D) communications whenever the transmitter-and-receiver pairs are located geographically in close proximity and frequencies are fully reused, so active links may severely interfere with each other. This paper devises an optimization strategy named FPLinQ to coordinate the link scheduling decisions among the interfering links, along with power control and beamforming. The key enabler is a novel optimization method called matrix fractional programming (FP) that generalizes previous scalar and vector forms of FP in allowing multiple data streams per link. From a theoretical perspective, this paper provides a deeper understanding of FP by showing a connection to the minorization-maximization (MM) algorithm. From an application perspective, this paper shows that as compared to the existing methods for coordinating scheduling in the D2D network, such as FlashLinQ, ITLinQ, and ITLinQ+, the proposed FPLinQ approach is more general in allowing multiple antennas at both the transmitters and the receivers, and further in allowing arbitrary and multiple possible associations between the devices via matching. Numerical results show that FPLinQ significantly outperforms the previous state-of-the-art in a typical D2D communication environment.

연구 동기 및 목표

• 전송기와 수신기가 지리적으로 가까이 위치해 있고 전체 스펙트럼을 공유하는 고밀도 장치 간(D2D) 네트워크에서 발생하는 간섭 문제를 해결한다.
• 단일 스트림 전송과 고정된 사용자 연결에 국한된 기존 스케줄링 프레임워크인 FlashLinQ 및 ITLinQ+의 한계를 극복한다.
• 다중 안테나를 갖춘 전송기 및 수신기를 지원하고, 매칭을 통한 임의의 다중 장치 연결을 가능하게 하는 통합 최적화 프레임워크를 개발한다.
• 다중 스트림 전송과 복잡한 네트워크 구조를 처리할 수 있는 일반화된 최적화 방법을 통해 더 효율적인 스펙트럼 공유와 간섭 조율을 가능하게 한다.

제안 방법

• 스칼라 및 벡터 분수 프로그래밍을 다중 링크당 다중 데이터 스트림을 지원할 수 있도록 일반화한 새로운 최적화 프레임워크로 행렬 분수 프로그래밍(MFP)을 도입한다.
• 링크 스케줄링, 전력 제어, 빔포밍 문제를 행렬 분수 프로그래밍으로 공식화함으로써 간섭 조율과 스펙트럼 효율성의 동시에 최적화를 가능하게 한다.
• MFP와 미니마이제이션-맥시마이제이션(MM) 알고리즘 간 이론적 연결을 수립하여 수렴성과 안정성을 확보한 반복적 해법을 제공한다.
• 전송기와 수신기 간의 임의의 다중 쌍화를 허용하는 매칭 기반 사용자 연결 메커니즘을 설계하여 시스템의 유연성과 처리량을 향상시킨다.
• 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위해 MFP와 MM 기반의 반복 알고리즘을 구현하여 국소 최적해로의 수렴을 보장한다.
• 빔포밍과 전력 제어를 스케줄링 프레임워크에 통합하여 공간 다중화 이득을 극대화하고 링크 간 간섭을 감소시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 동일 대역 링크와 전체 주파수 재사용 조건에서 D2D 네트워크의 간섭을 효과적으로 관리하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 다중 스트림 D2D 시스템에서 스칼라 및 벡터 분수 프로그래밍에 비해 행렬 분수 프로그래밍(MFP)이 스펙트럼 효율성 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 스케줄링, 빔포밍, 전력 제어 및 유연한 사용자 쌍화를 종합적으로 처리하는 통합 최적화 프레임워크가 기존 최첨단 방법들인 ITLinQ 및 FlashLinQ를 초월할 수 있는가?
• RQ4 다중 안테나 전송 및 임의의 장치 연결이 조율된 D2D 스케줄링 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 행렬 분수 프로그래밍과 미니마이제이션-맥시마이제이션(MM) 알고리즘 간 이론적 연결은 비볼록 D2D 네트워크에서 효율적이고 안정적인 최적화를 어떻게 가능하게 하는가?

주요 결과

• FPLinQ는 일반적인 D2D 네트워크 환경에서 FlashLinQ, ITLinQ, ITLinQ+보다 스펙트럼 효율성이 뛰어나 간섭 조율 능력이 뛰어나다.
• 제안된 행렬 분수 프로그래밍(MFP) 프레임워크는 다중 데이터 스트림을 통해 스케줄링, 빔포밍, 전력 제어를 종합 최적화하여 시스템 용량을 향상시킨다.
• 전송기 및 수신기에 다중 안테나를 지원함으로써 FPLinQ는 단일 스트림 방법보다 더 높은 공간 다중화 이득과 우수한 간섭 억제 성능을 달성한다.
• 매칭을 통한 임의의 다중 장치 연결 기능이 통합되어 시스템의 유연성이 향상되고 더 효율적인 링크 쌍화가 가능해져 전체 처리량이 증가한다.
• MFP와 MM 알고리즘 간 이론적 연결 덕분에 반복 최적화 과정의 수렴성과 안정성이 보장되어 실시간 구현에 실용적인 솔루션이 된다.
• 수치 결과는 FPLinQ가 간섭 제한 환경에서 기존 접근 방식보다 상당한 스펙트럼 효율성 향상을 달성함을 확인하여 그 우수성을 입증한다.