[논문 리뷰] Dynamic Joint Uplink and Downlink Optimization for Uplink and Downlink Decoupling-Enabled 5G Heterogeneous Networks

Qi Liao, Danish Aziz외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 19.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 28인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 5G 이질적 네트워크(HetNets)에서 상향링크-하향링크 분리(DeUD)를 고려한 동적 공동 상향링크/하향링크 최적화 프레임워크를 제안한다. 고정점 반복 알고리즘을 사용하여 대역폭과 전력 제어를 공동으로 할당함으로써 최소 품질 서비스(QoS) 만족도를 최대화한다. 이 방법은 DeUD 및 결합된 액세스 환경 모두에서 기존의 비례 공정성 기반 기법보다 뛰어나며, 특히 비대칭 트래픽 부하 및 현실적인 간섭 조건에서 유의미한 성능 향상을 보인다.

ABSTRACT

The concept of user-centric and personalized service in the fifth generation (5G) mobile networks encourages technical solutions such as dynamic asymmetric uplink/downlink resource allocation and elastic association of cells to users with decoupled uplink and downlink (DeUD) access. In this paper we develop a joint uplink and downlink optimization algorithm for DeUD-enabled wireless networks for adaptive joint uplink and downlink bandwidth allocation and power control, under different link association policies. Based on a general model of inter-cell interference, we propose a three-step optimization algorithm to jointly optimize the uplink and downlink bandwidth allocation and power control, using the fixed point approach for nonlinear operators with or without monotonicity, to maximize the minimum level of quality of service satisfaction per link, subjected to a general class of resource (power and bandwidth) constraints. We present numerical results illustrating the theoretical findings for network simulator in a real-world setting, and show the advantage of our solution compared to the conventional proportional fairness resource allocation schemes in both the coupled uplink and downlink (CoUD) access and the novel link association schemes in DeUD.

연구 동기 및 목표

• 소셜 및 데이터 공유 애플리케이션으로 인해 상향링크 수요가 증가하는 5G 이질적 네트워크(HetNets)에서 상향링크-하향링크 트래픽의 비대칭성 문제를 다루기.
• 분리된 상향링크-하향링크(DeUD) 액세스 조건 하에서 공동 상향링크 및 하향링크 자원 할당 및 전력 제어를 위한 일반적인 최적화 프레임워크를 개발하여 유연한 셀 연결을 가능하게 하기.
• 모든 사용자 링크의 최소 QoS 만족도 수준을 최대화하면서도 일반적인 전력 및 대역폭 제약 조건을 충족하기.
• 비선형, 비단조화 간섭 연산자를 다룰 수 있는 3단계 고정점 알고리즘을 설계하여 공동 최적화 문제를 해결하기.
• 실제 네트워크 시뮬레이션을 통해 DeUD 및 상향링크-하향링크 결합(CoUD) 환경 모두에서 제안된 기법이 기존의 비례 공정성 기법보다 뛰어나다는 것을 입증하기.

제안 방법

• DeUD 기반 이질적 네트워크에 대한 일반 간섭 모델을 수립하여 상향링크 및 하향링크 링크에서의 이셀 간섭을 포괄한다.
• 비선형 연산자 기반의 고정점 이론에 기반한 3단계 반복 알고리즘을 제안하여 대역폭 할당 및 전력 제어의 공동 최적화를 가능하게 한다.
• 비볼록성 및 비단조화성 최적화 문제를 해결하기 위해 척도 기반 고정점 반복을 사용하며, 최소 QoS 만족도를 극대화하는 해로 수렴함을 보장한다.
• 모든 링크의 최소 QoS 만족도를 반영하는 유틸리티 함수를 도입하고, 각 셀의 총 전력 및 대역폭 제약 조건을 설정한다.
• 비선형 연산자에 대해 고유벡터 및 고유값 분석을 이용한 문제 재구성 기법을 활용하여 수렴 보장을 제공한다.
• 로마, 이탈리아에서 확보한 실제 트래픽 트레이스를 사용하여 알고리즘을 검증하고, 다양한 연결 정책 및 간섭 환경에서 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 5G 이질적 네트워크(HetNets)에서 분리된 상향링크-하향링크 액세스 조건 하에서 공동 상향링크 및 하향링크 자원 할당 및 전력 제어를 어떻게 최적화할 수 있는가? 이는 최소 QoS 만족도를 극대화하기 위한 것이다.
• RQ2 제안된 공동 최적화 알고리즘이 DeUD 및 CoUD 환경 모두에서 기존의 비례 공정성 기반 기법에 비해 어떤 성능 향상을 보이는가?
• RQ3 실제 도시 환경에서 관찰되는 시간에 따라 변화하는 비대칭 상향링크 및 하향링크 트래픽 부하 조건에서 알고리즘의 성능은 어떠한가?
• RQ4 경로감쇠, 수신 전력 또는 부하 기반과 같은 다양한 링크 연결 정책이 전체 시스템 유틸리티 및 QoS 공정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 비단조화 간섭 연산자가 존재할 경우 고정점 반복 방법이 여전히 수렴 가능한가? 그리고 수렴성은 어떻게 증명되는가?

주요 결과

• 제안된 공동 최적화 알고리즘은 DeUD 및 CoUD 환경 모두에서 기존의 비례 공정성 기법보다 더 높은 최소 QoS 만족도 수준을 달성한다.
• 실제 도시 라디오 격자에서 500명의 사용자를 대상으로 한 시뮬레이션을 통해 다양한 간섭 및 트래픽 조건에서도 알고리즘이 신뢰성 있게 수렴하는 것으로 입증되었다.
• 비대칭 트래픽 부하 조건에서 상향링크 수요가 하향링크를 초과할 경우 성능 향상이 가장 두드러지며, 이는 DeUD 및 동적 자원 분할의 필요성을 입증한다.
• 하향링크에서 사용자 Equipment(UE)별 전력 제어를 적용할 경우 셀 기반 전력 제어보다 더 높은 유틸리티와 공정성을 확보하며, 특히 DeUD 구성에서 유의미한 성능 향상을 보인다.
• 최적의 오프셋 파rameter를 사용할 경우 다양한 연결 정책에서도 알고리즘이 높은 유틸리티를 유지하며, 전체 시험의 80% 이상에서 상위 3개 유틸리티 값 중 하나를 달성한다.
• 동적 대역폭 및 전력 할당을 통해 에너지 효율적인 전력 제어를 달성하여 QoS를 손상시키지 않으면서 단말기의 에너지 소비를 감소시킨다.