[논문 리뷰] Fairness-Oriented User Association in HetNets Using Bargaining Game Theory

Ehsan Sadeghi, Hamid Behroozi외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 09.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 8인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 이질적 네트워크(HetNets)에서 나시 협상 해법(Nash Bargaining Solution, NBS)을 사용하여 부하 균형과 매크로 및 피코 기지국(BS) 간 비례 공정성을 확보하는 공정성 중심의 사용자 연결 기법을 제안한다. 사용자 연결 문제를 협상 게임으로 공식화하고, 새로운 SINR 기반 코али션 생성 알고리즘(SCGA)을 도입함으로써, 최대합신호대역폭율에 근접한 성능을 달성하면서도 공정성과 수렴 속도가 크게 향상되었다. 이는 부하 분포, 자인의 공정성 지수, 백홀 효율성 측면에서 스루풋 중심 기법보다 뛰어난 성능을 보였다.

ABSTRACT

In this paper, the user association and resource allocation problem is investigated for a two-tier HetNet consisting of one macro Base Station (BS) and a number of pico BSs. The effectiveness of user association to BSs is evaluated in terms of fairness and load distribution. In particular, the problem of determining a fair user association is formulated as a bargaining game so that for the Nash Bargaining Solution (NBS) abiding the fairness axioms provides an optimal and fair user association. The NBS also yields in a Pareto optimal solution and leads to a proportional fair solution in the proposed HetNet model. Additionally, we introduce a novel algorithmic solution in which a new Coalition Generation Algorithm (CGA), called SINR-based CGA, is considered in order to simplify the coalition generation phase. Our simulation results show the efficiency of the proposed user association scheme in terms of fairness and load distribution among BSs and users. In particular, we compare the performance of the proposed solution with that of the throughput-oriented scheme in terms of the max-sum-rate scheme and show that the proposed solution yields comparable average data rates and overall sum rate.

연구 동기 및 목표

• 스루풋 중심 사용자 연결 기법으로 인해 발생하는 이중계층 HetNets 내의 부하 분포 불균형과 공정하지 않은 데이터 전송률 할당 문제를 해결한다.
• 사용자 연결 과정에 공정성 공리(fairness axioms)를 통합하여 기지국(BS)과 사용자 간의 공정성을 향상시킨다.
• 다중 사용자, 다중 BS 환경에서 나시 협상 해법(NBS)을 달성하기 위한 계산 복잡도를 줄이기 위한 효율적인 알고리즘 솔루션을 개발한다.
• 최소 데이터 전송률 제약 조건을 최적화 프레임워크에 통합하여 모든 사용자에게 최소 품질보증(QoS)을 보장한다.
• 기존의 스루풋 최대화(max-sum-rate) 기법과 대비하여 공정성, 합신호대역폭율, 수렴 시간 간의 상호 상충 관계를 평가한다.

제안 방법

• BS들이 플레이어로 작용하는 협상 게임으로 사용자 연결 문제를 공식화하고, 나시 협상 해법(NBS)을 통해 파레토 최적성과 비례 공정성을 보장한다.
• NBS 최적화 문제를 볼록 문제로 변환하여 표준 볼록 최적화 기법을 활용해 효율적으로 해결할 수 있도록 한다.
• 저복잡도의 NBS 계산을 위해 이중 밴드 분할 방법을 이중 사용자 케이스에 적응시켜 계산 오버헤드를 감소시킨다.
• 다중 사용자 환경에서 코어리션을 효율적으로 생성하기 위해 새로운 SINR 기반 코어리션 생성 알고리즘(CGA)을 설계하여 확장성을 향상시킨다.
• SINR 기반 CGA와 이중 밴드 분할 방법을 통합하여 분산적이고 공정한 사용자 연결을 가능하게 하는 SCGA-NBS 기법을 구성한다.
• 백홀 부하 불균형을 정량화하기 위해 합신호대역폭율 비율(Sum Rate Ratio, SRR)을 정의하고 사용하여 인프라 제약 조건을 충족시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 협상 이론 기반 접근이 HetNets에서 스루풋 중심 기법보다 더 뛰어난 공정성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 다중 사용자, 다중 BS 환경에서 나시 협상 해법(NBS)을 달성하기 위한 계산 복잡도는 어떻게 감소시킬 수 있는가?
• RQ3 제안된 SCGA-NBS 기법은 max-sum-rate 및 이전의 NBS 기반 기법과 비교해 기지국 및 사용자 간의 부하 분포와 공정성에 얼마나 향상되는가?
• RQ4 제안된 기법은 모든 사용자에게 최소 데이터 전송률 요구사항을 충족시키면서도 높은 시스템 합신호대역폭율을 유지하는가?
• RQ5 SCGA-NBS 기법의 수렴 시간은 스루풋 중심의 max-sum-rate 기법과 비교해 어떻게 다른가?

주요 결과

• 제안된 SCGA-NBS 기법은 스루풋 중심의 max-sum-rate 기법의 전체 합신호대역폭율의 83–98%를 달성하여 근사 최적의 스펙트럼 효율성을 보였다.
• 기지국과 사용자 모두에 대해 자인의 공정성 지수(JI)가 향상되었으며, JI 값은 스루풋 중심 기법과 [7]의 이전 NBS 기반 접근보다 항상 높았다.
• 제안된 기법의 합신호대역폭율 비율(SRR)은 0.1에서 0.2 사이로 유지되어 매크로 및 피코 BS 간 균형 잡힌 부하 분포를 나타내었으며, 반면 스루풋 중심 기법은 SRR < 0.01을 기록하여 매크로 BS의 심각한 과부하를 보였다.
• SCGA-NBS 기법의 수렴 시간은 스루풋 중심의 max-sum-rate 기법보다 약 5배 빠르게 수렴하여 뛰어난 알고리즘 효율성을 입증했다.
• 모든 사용자가 최소 데이터 전송률 요구사항(QoS)을 충족시켰으며, 이는 공정성이 서비스 보장을 훼손하지 않음을 확인했다.
• SINR 기반 CGA가 코어리션 생성을 효과적으로 단순화하여 실질적인 HetNet 구현에서 NBS의 확장성 있고 저복잡도 구현을 가능하게 하였다.