[논문 리뷰] Joint Resource Allocation for eICIC in Heterogeneous Networks

Weijun Tang, Rongbin Zhang외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 12.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 11인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LTE-A 이질적 네트워크(HetNets)에서 사용자 연동, 거의 빈 서브프레임(ABS) 할당, 무선 자원 블록(RB) 스케줄링을 위한 분산 공동 최적화 프레임워크를 제안한다. 블록 좌표 강하(BCD)를 사용하여 비례 공정성 제약 조건 하에 합산 가중 로그 유용도를 공동으로 최대화함으로써 공정성과 시스템 성능을 향상시키며, 최대 69.3%의 Jain의 공정성 지수를 달성하고 기존의 max-RSRP 방식에 비해 매크로 오버로드를 크게 감소시킨다.

ABSTRACT

Interference coordination between high-power macros and low-power picos deeply impacts the performance of heterogeneous networks (HetNets). It should deal with three challenges: user association with macros and picos, the amount of almost blank subframe (ABS) that macros should reserve for picos, and resource block (RB) allocation strategy in each eNB. We formulate the three issues jointly for sum weighted logarithmic utility maximization while maintaining proportional fairness of users. A class of distributed algorithms are developed to solve the joint optimization problem. Our framework can be deployed for enhanced inter-cell interference coordination (eICIC) in existing LTE-A protocols. Extensive evaluation are performed to verify the effectiveness of our algorithms.

연구 동기 및 목표

• 맥락에서 max-RSRP 사용자 연동으로 인한 불균형한 부하 문제를 해결하라. 이는 매크로 기지국이 과부하 상태에 놓이고 피코셀은 미사용 상태에 놓이는 현상이다.
• 최적의 ABS 구성으로 매크로 기지국에서 피코 사용자로의 교차 티어 간섭을 완화하여 소형 셀의 보호 전송 간격을 가능하게 하라.
• 주파수 선택성 fading과 시간 영역 간섭 패tern을 고려하여 각 eNB의 다운링크 무선 자원 블록 할당을 최적화하라.
• 사용자 연동, ABS 비율, RB 할당을 공동으로 해결하여 네트워크 전체의 비례 공정성과 합산 가중 로그 유용도를 극대화하라.
• 기존의 LTE-A eICIC 프로토콜과 호환 가능한 분산 알고리즘을 개발하여 실용적인 구현을 가능하게 하라.

제안 방법

• 비례 공정성 제약 조건 하에 합산 가중 로그 유용도 극대화 문제로 공동 최적화 문제를 수식화하라.
• 블록 좌표 강하(BCD)를 적용하여 공동 문제를 세 개의 하위문제로 분리: 사용자 연동, ABS 비율 선택, RB 할당.
• 이중 분해 및 라그랑주 완화 기법을 사용하여 각 하위문제를 반복적이고 번갈아가며 해결하라.
• 각 eNB가 부분적인 네트워크 상태 정보에 기반해 로컬 변수를 독립적으로 최적화하는 분산 알고리즘을 설계하라.
• 셀 레인지 확장(CRE) 비bias와 ABS 비율을 제어 가능한 매개변수로 통합하여 부하 균형과 간섭 감소를 달성하라.
• RB 할당 하위문제에서 PF(비례 공정) 스케줄링을 사용하여 사용자 간의 공정성을 확보하라.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 사용자 연동을 ABS 구성과 RB 할당과 공동으로 최적화하여 HetNets에서의 시스템 공정성과 유용도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 매크로 기지국이 피코엣지 사용자에게 간섭을 최소화하면서도 스펙트럼 효율성을 유지하기 위해 ABS 서브프레임의 최적 비율은 얼마인가?
• RQ3 기존의 max-RSRP 및 고정된 CRE/ABS 구성 방식과 비교했을 때, 사용자 연동, ABS 비율, RB 스케줄링의 공동 최적화는 어떤가?
• RQ4 전체 네트워크 상태 정보가 필요 없이도 분산 알고리즘이 근사 최적 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ5 공동 최적화가 얼마나 많은 정도로 전송 대역폭의 공정성을 향상시키고 매크로 셀의 부하를 감소시키는가?

주요 결과

• 제안된 공동 최적화 기법(히우리스틱, 최적 ABS, PF)은 Jain의 공정성 지수 0.693을 달성하였으며, 기존의 max-RSRP 방식(0.353)과 (18 dB, 0.4, PF) 기준치(0.671)에 비해 뚜렷이 뛰어난 성능을 보였다.
• 제안된 프레임워크 하에서의 사용자 연동은 max-RSRP에 비해 더 효과적으로 부하를 균형 잡으며 매크로 셀의 과부하를 감소시키고 자원 활용도를 향상시켰다.
• 제안된 분산 알고리즘의 수렴성이 확인되었으며, 이론적 상한선에 매우 가까운 성능을 달성하였다.
• max-RSRP 기준에 비해 약 80%의 UE의 평균 전송 속도가 향상되었으며, 특히 피코셀의 에지 사용자에게 유리하게 작용하였다.
• 간섭 조율과 부하 균형 향상 덕분에 모든 티어에서 시스템 유용도가 향상되었으며, 특히 매크로 및 피코 셀에서 두드러진 성능 향상이 관찰되었다.
• 고정된 구성 기반 방식인 (18 dB CRE, 0.4 ABS, PF)에 비해 공동 최적화 프레임워크가 뛰어난 성능을 보이며 연동, ABS, RB 할당의 공동 설계가 우월함을 입증하였다.