[논문 리뷰] Joint User Association and Power Control for Load Balancing in Downlink Heterogeneous Cellular Networks

Tianqing Zhou|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 04.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 25인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 하향형 이질적 셀룰러 네트워크(HCNs)에서 로드 밸런싱을 위해 효과적 수신률 최대화를 사용하는 두 가지 통합 사용자 할당 및 전력 제어 기법을 제안한다. 두 계층 반복 알고리즘은 기존 기법들보다 더 높은 로드 밸런싱 성능과 에너지 효율성을 달성하며, 전력 제어가 통합된 기법이 모두에서 통신량과 에너지 효율성 면에서 뛰어나다.

ABSTRACT

Instead of achievable rate in the conventional association, we utilize the effective rate to design two association schemes for load balancing in heterogeneous cellular networks (HCNs), which are both formulated as such problems with maximizing the sum of effective rates. In these two schemes, the one just considers user association, but the other introduces power control to mitigate interference and reduce energy consumption while performing user association. Since the effective rate is closely related to the load of some BS and the achievable rate of some user, it can be used as a key factor of association schemes for load balancing in HCNs. To solve the association problem without power control, we design a one-layer iterative algorithm, which converts the sum-of-ratio form of original optimization problem into a parameterized polynomial form. By combining this algorithm with power control algorithm, we propose a two-layer iterative algorithm for the association problem with power control. Specially, the outer layer performs user association using the algorithm of problem without power control, and the inner layer updates the transmit power of each BS using a power update function (PUF). At last, we give some convergence and complexity analyses for the proposed algorithms. As shown in simulation results, the proposed schemes have superior performance than the conventional association, and the scheme with joint user association and power control achieves a higher load balancing gain and energy efficiency than conventional scheme and other offloading scheme.

연구 동기 및 목표

• 이질적 셀룰러 네트워크(HCNs)에서 전통적인 신호 세기 기반 사용자 할당으로 인한 사용자 로드 분포의 불균형을 해결한다.
• 과부하된 기지국(BS)에서 가용한 자원을 효율적으로 활용하고 사용자 경험을 향상시키기 위해 과부하된 BS에서의 사용자 스위치를 지능적으로 수행한다.
• 통합 전력 제어 및 사용자 할당을 통해 이층 간 간섭을 동시에 완화하고 에너지 소비를 줄인다.
• 실제 HCN 환경에 구현 가능한 확장 가능하고 수렴 가능한 알고리즘 아키텍처를 설계한다.

제안 방법

• 사용자 할당 문제를 합산 효과적 수신률 최대화 문제로 수식화하여, 기존의 가능 수신률 대신 효과적 수신률을 사용함으로써 로드와 서비스 품질 간의 트레이드오���을 반영한다.
• 전력 제어 없이 사용자 할당만 수행하는 일계층 반복 알고리즘을 제안하며, 비볼록 성질을 가진 비율의 합 문제를 매개변수화된 다항식 형태로 변환한다.
• 통합 사용자 할당 및 전력 제어를 위한 이중 계층 반복 알고리즘을 개발한다: 외부 레이어는 일계층 알고리즘을 사용해 사용자 할당을 수행하고, 내부 레이어는 전력 업데이트 함수(PUF)를 통해 기지국의 전송 전력 업데이트를 수행한다.
• 내부 루프에 전력 업데이트 함수(PUF)를 통합하여 동적으로 전송 전력을 조정하고 간섭을 억제한다.
• 수렴성 및 복잡도 분석을 적용하여 제안된 이중 계층 알고리즘의 안정성과 실용성을 검증한다.
• 효과적 수신률을 성능 지표로 사용하여 사용자 품질과 기지국 로드를 모두 내재적으로 반영함으로써 로드 밸런싱에 기여하는 할당 결정을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 효과적 수신률을 어떻게 활용하여 HCN 내에서 로드 밸런싱된 사용자 할당을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 로드 밸런싱과 에너지 효율성 측면에서 기존 할당 기법 대비 통합 사용자 할당 및 전력 제어의 성능 향상은 어떠한가?
• RQ3 시스템 통신량과 전력 소비를 균형 잡으면서도 두 계층 반복 알고리즘이 효율적으로 수렴할 수 있는가?
• RQ4 다운링크 HCN에서 이질적인 기지국을 갖는 환경에서 전력 제어는 간섭 관리와 에너지 효율성에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 사용자 할당은 과부하된 마크로셀의 엣지 사용자의 평균 속도와 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 통합 사용자 할당 및 전력 제어를 수행하는 제안된 JUAPCMSER 기법은 모든 기법 중에서 가장 높은 평균 에너지 효율성을 달성하며, 기존의 할당 기법과 다른 오프로딩 방법들보다 뚜렷이 뛰어나다.
• JUAPCMSER 기법은 전력 제어에 의한 간섭 완화 덕분에 단순 사용자 할당만 수행하는 UAMSER 기법보다 더 높은 로드 밸런싱 성능과 에너지 효율성을 확보한다.
• 시뮬레이션 결과에 따르면, MARA(최대 가능 수신률 할당) 기법은 로드 불균형이 가장 심한 반면 평균 속도가 가장 높은 것으로 나타났다. 이는 일부 고속 사용자들이 과부하되지 않은 기지국에 할당되기 때문이다.
• 제안된 이중 계층 반복 알고리즘은 그림 8에서 보듯이 빠른 수렴을 보이며, 외부 루프, 사용자 할당, 전력 제어 각 구성 요소가 모두 높은 수렴 속도를 보였다.
• JUAPCMSER의 평균 속도와 에너지 효율성은 AUF 및 UAMSER보다 뛰어나며, 후자는 더 나은 로드 분포 덕분에 AUF보다 더 높은 통신량과 더 나은 에너지 효율성을 확보했다.
• 고부하 조건에서 기법 간 성능 격차가 더욱 벌어지며, 이는 지능형 오프로딩이 과부하된 네트워크에서 엣지 사용자의 경험을 크게 향상시킨다는 것을 시사한다.