[논문 리뷰] Joint Load Balancing and Interference Mitigation in 5G Heterogeneous Networks

Trung Kien Vu, Mehdi Bennis외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 15.

Full-Duplex Wireless Communications인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 대량 MIMO 매크로 셀과 풀디플렉스, 자기 백홀링 소셀을 갖춘 5G 이질적 네트워크에서 동시 부하 균형 조절과 간섭 완화를 위한 확률적 최적화 프레임워크를 제안한다. 매크로 사용자 동적 스케줄링, 소셀 백홀링 자원 할당, 간섭 및 백홀링 제약 조건 기반 사용자 오프로딩을 통해, 초고밀도 네트워크에서 km²당 350개의 소셀을 포함할 경우, 폐쇄형 액세스 소셀 대비 세포 가장자리 성능을 5.6배 향상시킨다.

ABSTRACT

We study the problem of joint load balancing and interference mitigation in heterogeneous networks (HetNets) in which massive multiple-input multiple-output (MIMO) macro cell base station (BS) equipped with a large number of antennas, overlaid with wireless self-backhauled small cells (SCs) are assumed. Self-backhauled SC BSs with full-duplex communication employing regular antenna arrays serve both macro users and SC users by using the wireless backhaul from macro BS in the same frequency band. We formulate the joint load balancing and interference mitigation problem as a network utility maximization subject to wireless backhaul constraints. Subsequently, leveraging the framework of stochastic optimization, the problem is decoupled into dynamic scheduling of macro cell users, backhaul provisioning of SCs, and offloading macro cell users to SCs as a function of interference and backhaul links. Via numerical results, we show the performance gains of our proposed framework under the impact of small cells density, number of base station antennas, and transmit power levels at low and high frequency bands. We further provide insights into the performance analysis and convergence of the proposed framework. The numerical results show that the proposed user association algorithm outperforms other baselines. Interestingly, we find that even at lower frequency band the performance of open access small cell is close to that of closed access at some operating points, the open access full- duplex small cell still yields higher gain as compared to the closed access at higher frequency bands. With increasing the small cell density or the wireless backhaul quality, the open access full- duplex small cells outperform and achieve a 5.6x gain in terms of cell-edge performance as compared to the closed access ones in ultra-dense networks with 350 small cell base stations per km2 .

연구 동기 및 목표

• 대량 MIMO 매크로 셀과 자기 백홀링 소셀을 갖춘 5G 이질적 네트워크(HetNets)에서 간섭과 부하 불균형 문제를 해결한다.
• 풀디플렉스 소셀 배치에서 무선 백홀링 용량 제약 조건 하에서 사용자 연결 및 자원 할당을 최적화한다.
• 매크로 사용자 스케줄링, 소셀 백홀링 자원 할당, 사용자 오프로딩 결정을 공동으로 관리하여 네트워크 유틸리티를 극대화한다.
• 다양한 네트워크 밀도 및 주파수 대역에서 오픈 액세스 대비 폐쇄 액세스 소셀 아키텍처의 성능 이점을 평가한다.

제안 방법

• 무선 백홀링 제약 조건을 고려한 네트워크 유틸리티 극대화(NUM) 문제로 동시 부하 균형 조절 및 간섭 완화 문제를 수식화한다.
• 확률적 최적화 문제를 세 개의 하위문제로 분해한다: 동적 매크로 사용자 스케줄링, 소셀 백홀링 자원 할당, 사용자 오프로딩 결정.
• 리아푸노프 최적화 프레임워크를 활용하여 문제를 분산적이고 실시간으로 분리하여 해결한다.
• 동일한 주파수 대역을 상行 및 하향 전송에 사용하는 풀디플렉스 소셀 기지국을 모델링하며, 간섭 인식 스케줄링을 통해 매크로 사용자와 스펙트럼을 공유한다.
• 최적화 과정에 백홀링 용량 제약 조건을 통합하여 소셀 사용자에 대한 타당한 데이터 전송 속도를 보장한다.
• 시간 슬롯 기반 접근 방식을 사용하여 실시간 채널 상태 및 백홀링 품질에 따라 사용자 연결 및 빔포밍을 적응시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제안된 프레임워크는 기준 대비 초고밀도 네트워크에서 세포 가장자리 사용자 전송 속도 측면에서 네트워크 성능을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 소셀 밀도와 백홀링 품질이 오픈 액세스 풀디플렉스 소셀의 성능 향상에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 저주파수 대역과 고주파수 대역에서 오픈 액세스 소셀의 성능은 폐쇄 액세스 소셀 대비 어떻게 비교되는가?
• RQ4 제안된 사용자 연결 알고리즘이 초고밀도 HetNets에서 스펙트럼 효율성과 공정성에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 다양한 네트워크 조건 하에서 제안된 확률적 최적화 프레임워크의 수렴성 및 안정성 특성은 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 사용자 연결 알고리즘은 km²당 350개의 소셀 기지국을 포함한 초고밀도 네트워크에서 폐쇄 액세스 소셀 대비 세포 가장자리 성능을 5.6배 향상시킨다.
• 낮은 주파수 대역에서도 오픈 액세스 풀디플렉스 소셀은 특정 운영 조건에서 폐쇄 액세스 소셀의 성능에 근접한 성능을 달성한다.
• 고주파수 대역에서는 간섭 관리 및 스펙트럼 재사용 성능이 뛰어나 오픈 액세스 풀디플렉스 소셀이 폐쇄 액세스 소셀을 일관되게 능가한다.
• 소셀 밀도가 높아지고 무선 백홀링 품질이 향상될수록 성능 향상이 증가하여 초고밀도 배치에서의 확장성을 입증한다.
• 프레임워크는 실시간 간섭 및 백홀링 조건에 따라 사용자 오프로딩 및 스케줄링을 동적으로 적응함으로써 안정적으로 수렴하고 높은 네트워크 유틸리티를 달성한다.
• 소셀에서 풀디플렉스 통신을 사용함으로써 더 높은 스펙트럼 효율성을 달성하고, 특히 고밀도 환경에서 더 많은 사용자를 지원할 수 있다.