[논문 리뷰] Joint Base Station Clustering and Beamforming for Non-Orthogonal Multicast and Unicast Transmission with Backhaul Constraints

Erkai Chen, Meixia Tao외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 05.

Telecommunications and Broadcasting Technologies참고 문헌 31인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 백홀 용량이 제한된 다셀 네트워크에서 비직교 다중송신 및 단일송신 전송을 위한 공동 기지국 클러스터링 및 비임펄스 프레임워크를 제안한다. 슈퍼포지션 비임펄스를 갖춘 계층적 분할 다중접속(LDM) 구조를 사용하여, 각 기지국의 전력 제약과 백홀 제약 하에서 가중합률을 최대화하는 공동 최적화 문제를 수립함으로써, 정규화된 방법에 비해 훨씬 우수한 다중송신-단일송신 비율 영역을 달성한다.

ABSTRACT

The demand for providing multicast services in cellular networks is continuously and fastly increasing. In this work, we propose a non-orthogonal transmission framework based on layered-division multiplexing (LDM) to support multicast and unicast services concurrently in cooperative multi-cell cellular networks with limited backhaul capacity. We adopt a two-layer LDM structure where the first layer is intended for multicast services, the second layer is for unicast services, and the two layers are superposed with different beamformers. Each user decodes the multicast message first, subtracts it, and then decodes its dedicated unicast message. We formulate a joint multicast and unicast beamforming problem with adaptive base station clustering that aims to maximize the weighted sum of the multicast rate and the unicast rate under per-BS power and backhaul constraints. To solve the problem, we first develop a branch-and-bound algorithm to find its global optimum. We then reformulate the problem as a sparse beamforming problem and propose a low-complexity algorithm based on convex-concave procedure. Simulation results demonstrate the significant superiority of the proposed LDM-based non-orthogonal scheme over orthogonal schemes in terms of the achievable multicast-unicast rate region.

연구 동기 및 목표

• 셀룰러 네트워크에서 다중송신 서비스에 대한 증가하는 수요를 충족시키면서 단일송신 성능을 저하시키지 않도록 하는 것.
• 기존의 다중송신-단일송신 시스템에서 자원 공유 방식이 비효율적인 스펙트럼 사용 문제를 해결하는 것.
• 각 기지국의 전력 제약과 백홀 용량 제약 하에서 기지국 클러스터링과 비임펄스를 공동으로 최적화하는 것.
• 협력적 다셀 네트워크에서 다중송신 및 단일송신 비율의 가중합을 최대화하는 것.
• 실제 시스템 제약 조건을 고려하면서 근사 최적 성능를 달성하는 저복잡도 알고리즘을 개발하는 것.

제안 방법

• 첫 번째 레이어는 다중송신 신호를, 두 번째 레이어는 단일송신 신호를 전송하는 이중 레이어 LDM 구조를 제안하며, 각각 고유한 비임펄스를 갖는다.
• 사용자에서 연속 간섭 제거(SIC)를 적용: 다중송신 신호를 먼저 디코딩하고 제거한 후, 단일송신 신호를 디코딩한다.
• 각 기지국의 전력 제약과 백홀 제약 하에서 비임펄스, 클러스터링 지표, 비율을 공동으로 최적화하는 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 공동 문제의 전역 최적해를 찾기 위해 분기 및 경계 알고리즘을 개발한다.
• 문제를 희소 비임펄스 문제로 재구성하고, 실용적 구현을 위해 볼록-오목 절차(CCP)를 사용한 저복잡도 알고리즘을 제안한다.
• 수렴성과 해의 타당성을 보장하기 위해 이분법 기반의 경계 기법을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 백홀 용량이 제한된 다셀 네트워크에서 다중송신 및 단일송신 서비스를 어떻게 효율적으로 지원할 수 있는가?
• RQ2 전력 제약과 백홀 제약 하에서 시스템 합비율을 최대화하기 위해 기지국 클러스터링과 비임펄스를 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ3 계층적 분할 다중접속(LDM)을 어떻게 활용하여 비직교 다중송신-단일송신 전송에서 스펙트럼 효율을 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 제안된 비직교 방식이 기존의 직교 방식에 비해 비율 영역 측면에서 어떤 성능 향상을 보이는가?
• RQ5 실제 시스템에서 근사 최적 성능를 달성하는 저복잡도 알고리즘은 어떻게 설계할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 LDM 기반 비직교 방식은 정규화된 전송 방식에 비해 훨씬 넓은 다중송신-단일송신 비율 영역을 달성한다.
• 분기 및 경계 알고리즘은 공동 클러스터링 및 비임펄스 문제의 전역 최적성을 보장한다.
• CCP 기반 저복잡도 알고리즘은 상당히 감소된 계산 비용으로 전역 최적해에 근접한 성능을 달성한다.
• 이분법 기반 경계 기법을 통해 해의 수렴성과 타당성이 증명되었으며, 최대 반복 횟수 내에 유한한 종료 보장이 이루어진다.
• 목적 함수의 상한과 하한 사이의 간격은 검색 정밀도 파라미터 δ를 조정함으로써 임의로 작게 만들 수 있다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 방식이 현실적인 백홀 및 전력 제약 조건 하에서 가중합비율 측면에서 우수한 성능을 보임을 확인한다.