[논문 리뷰] Downlink Energy Efficiency of Power Allocation and Wireless Backhaul Bandwidth Allocation in Heterogeneous Small Cell Networks

Haijun Zhang, Hao Liu외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 09.

Advanced MIMO Systems OptimizationEngineering참고 문헌 20인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 극대화하기 위해 OFDMA 기반 이질적 소셀 네트워크에서 공동 에너지 효율적 전력 및 무선 백홀 대역폭 할당 방식을 제안한다. 비볼록 최적화 문제를 수립하고 이를 볼록 부분문제로 분해함으로써 저자들은 반복 알고리즘과 저복잡도의 부분최적 접근법을 설계하여 QoS 제약을 유지하면서도 에너지 효율성에서 뚜렷한 향상을 이룬다.

ABSTRACT

The widespread application of wireless services and dense devices access have triggered huge energy consumption. Because of the environmental and financial considerations, energy-efficient design in wireless networks becomes an inevitable trend. To the best of the authors' knowledge, energy-efficient orthogonal frequency division multiple access heterogeneous small cell optimization comprehensively considering energy efficiency maximization, power allocation, wireless backhaul bandwidth allocation, and user Quality of Service is a novel approach and research direction, and it has not been investigated. In this paper, we study the energy-efficient power allocation and wireless backhaul bandwidth allocation in orthogonal frequency division multiple access heterogeneous small cell networks. Different from the existing resource allocation schemes that maximize the throughput, the studied scheme maximizes energy efficiency by allocating both transmit power of each small cell base station to users and bandwidth for backhauling, according to the channel state information and the circuit power consumption. The problem is first formulated as a non-convex nonlinear programming problem and then it is decomposed into two convex subproblems. A near optimal iterative resource allocation algorithm is designed to solve the resource allocation problem. A suboptimal low-complexity approach is also developed by exploring the inherent structure and property of the energy-efficient design. Simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed algorithms by comparing with the existing schemes.

연구 동기 및 목표

• 증가하는 데이터 트래픽과 기기 밀도로 인한 밀도 높은 무선 네트워크 내 에너지 소비 증가 문제를 해결하기 위해.
• OFDMA 기반 이질적 소셀 네트워크에서 다운링크 전력 할당과 무선 백홀 대역폭 할당을 공동으로 최적화하기 위해.
• 사용자 품질보증(QoS) 요구사항과 회로 전력 제약을 충족시키면서 에너지 효율성을 극대화하기 위해.
• 실제 구현에 적합한 근사최적 및 저복잡도 알고리즘 개발을 위해.

제안 방법

• 전송 전력, 백홀 대역폭, 채널 상태 정보 및 회로 전력 고려하여 비볼록 비선형계획문제로 에너지 효율성 극대화 문제를 수립한다.
• 원래 문제를 두 개의 볼록 부분문제로 분해: 전력 할당과 백홀 대역폭 할당 각각에 대한 문제.
• строго 준연속함수의 최적 전력 할당을 구하기 위해 엄격하게 준연속함수의 최대값이 유일함을 증명한 최적 전력 할당을 유도한다.
• Karush-Kuhn-Tucker(KKT) 조건과 L’Hôpital의 정리를 사용하여 최적 전력 해의 존재성과 유일성을 분석한다.
• 수렴이 보장되는 반복적 자원 할당 알고리즘을 설계하여 전력과 대역폭을 번갈아 최적화한다.
• 에너지 효율 함수의 구조적 특성을 활용하여 저복잡도 부분최적 알고리즘을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이종 소셀 네트워크에서 공동 전력 및 백홀 대역폭 할당을 통해 에너지 효율성을 어떻게 극대화할 수 있는가?
• RQ2 회로 전력 및 QoS 제약 조건 하에서 에너지 효율성을 극대화하기 위한 각 사용자별 최적 전력 할당 전략은 무엇인가?
• RQ3 비볼록 최적화 문제는 해석 가능한 해를 갖기 위해 볼록 부분문제로 효과적으로 분해될 수 있는가?
• RQ4 무선 백홀 대역폭 할당은 전체 시스템의 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 기존 방법과 비교해 제안된 알고리즘의 성능 및 복잡도는 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 반복 알고리즘은 전력과 백홀 대역폭 할당을 공동으로 최적화함으로써 근사최적의 에너지 효율성을 달성한다.
• 각 사용자에 대한 최적 전력 할당은 유일하며, 엄격하게 준연속함수의 피크에 해당한다.
• 최적 전력 해는 존재하며 해석적으로 유도되었으며, 목적함수의 도함수의 부호가 오직 한 번만 변화함을 확인하였다.
• 목적함수의 극한 행동 분석 결과, 전송 전력 증가에 따라 에너지 효율성이 처음에는 증가하다가 감소함을 확인하여 최대값 존재를 확인하였다.
• 저복잡도 부분최적 알고리즘은 계산 비용을 크게 감소시켰음에도 불구하고 반복 방법과 유사한 성능을 달성하였다.
• 시뮬레이션 결과, 제안된 방법은 기존의 자원 할당 기법보다 에너지 효율성과 스펙트럼 효율성 측면에서 뛰어난 성능을 보였다.