[논문 리뷰] Joint User Association and Resource Allocation Optimization for Ultra Reliable Low Latency HetNets

Mohammad Yousefvand, Narayan B. Mandayam|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 18.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 17인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 초고신뢰성·저지연 통신(URC) 이종망(HetNets)에서 공동 사용자 연결 및 자원 할당을 위한 완화 휠러스 방법(RHM)을 제안한다. 이는 시간 복잡도를 감소시키고 에너지 및 스펙트럼 효율성을 향상시킨다. 사용자 연결을 볼록 자원 할당에서 분리하고 ADMM를 최적화에 사용함으로써, 셀룰러 기지국(CBS)의 스펙트럼 접근 지연을 93% 감소시키고 에너지 소비를 33% 감소시켰으며, 동시에 전체 서비스 속도를 유지한다.

ABSTRACT

Ensuring ultra-reliable and low latency communications (URLLC) is necessary for enabling delay critical applications in 5G HetNets. We propose a joint user to BS association and resource optimization method that is attractive for URLLC in HetNets with Cellular Base Stations (CBSs) and Small Cell Base Stations (SBSs), while also reducing energy and bandwidth consumption. In our scheme, CBSs share portions of the available spectrum with SBSs, and they in exchange, provide data service to the users in their coverage area. We first show that the CBSs optimal resource allocation (ORA) problem is NP-hard and computationally intractable for large number of users. Then, to reduce its time complexity, we propose a relaxed heuristic method (RHM) which breaks down the original ORA problem into a heuristic user association (HUA) algorithm and a convex resource allocation (CRA) optimization problem. Simulation results show that the proposed heuristic method decreases the time complexity of finding the optimal solution for CBS's significantly, thereby benefiting URLLC. It also helps the CBSs to save energy by offloading users to SBSs. In our simulations, the spectrum access delay for cellular users is reduced by 93\% and the energy consumption is reduced by 33\%, while maintaining the full service rate.

연구 동기 및 목표

• 셀룰러 및 스몰 기지국이 있는 URLLC 기반 HetNets에서 최적 자원 할당(ORA)의 높은 시간 복잡도 문제를 해결하기 위해.
• 스펙트럼 공유를 통해 SBS에 사용자 오프로딩을 가능하게 하여 CBS의 에너지 및 대역폭 소비를 줄이기 위해.
• 지연 민감한 URLLC 응용 프로그램을 위한 스펙트럼 접근 지연을 최소화하면서도 전체 서비스 속도를 유지하기 위해.
• ORA 문제가 NP-난해인 대규모 HetNets에 대해 확장 가능하고 저복잡도의 솔루션을 개발하기 위해.
• 비볼록 ORA 문제를 효율적인 계산을 위한 다루기 쉬운 부분문제로 분해할 수 있는 휠러스 프레임워크를 설계하기 위해.

제안 방법

• ORA 문제는 사용자 연결, 대역폭, 전력 할당을 포함하는 비볼록, NP-난해 조합 최적화 문제로 수식화된다.
• 완화 휠러스 방법(RHM)은 ORA 문제를 휠러스 사용자 연결(HUA) 알고리즘과 볼록 자원 할당(CRA) 문제로 분해한다.
• HUA 알고리즘은 채널 이득과 서비스 요구 사항을 기반으로 사용자를 CBS 또는 SBS에 할당하며, CBS 자원 사용을 최소화한다.
• CRA 문제는 최소 데이터 전송 속도 및 대역폭 제약 조건 하에서 CBS 전력 소비를 최소화하도록 재수식화된 볼록 최적화 문제이다.
• ADMM 알고리즘을 적용하여 CRA 문제를 반복적으로 해결함으로써 시간 복잡도를 감소시키고 수렴 속도를 향상시킨다.
• 이 방법은 CBS가 자신의 면허 스펙트럼 일부를 SBS에 제공함으로써 SBS에 사용자 트래픽을 오프로딩하는 스펙트럼 공유를 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 URLLC 기반 HetNets에서 시간 복잡도를 최소화하기 위해 공동 사용자 연결 및 자원 할당을 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ2 CBS와 SBS가 있는 HetNets에서 최적 자원 할당(ORA) 문제의 계산 복잡도는 무엇인가?
• RQ3 휠러스 분해 접근법이 ORA의 시간 복잡도를 크게 감소시킬 수 있는가, 동시에 성능도 유지하는가?
• RQ4 스마트한 사용자 오프로딩을 통해 CBS의 에너지 및 대역폭 소비는 어느 정도 줄일 수 있는가?
• RQ5 ADMM 기반 솔루션은 볼록 자원 할당 부분문제의 수렴을 가속화하는 데 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• ORA 문제는 0-1 배낭 문제로의 환원을 통해 NP-난해임을 증명하였으며, 이는 대규모 네트워크에서 계산이 불가능한 것으로 확인된다.
• 제안된 RHM은 CBS 자원 할당 최적 해를 찾는 데 있어 계산 속도를 크게 향상시켜 시간 복잡도를 감소시켰다.
• 효율적인 사용자 오프로딩과 더 빠른 자원 할당 덕분에 셀룰러 사용자의 스펙트럼 접근 지연이 93% 감소하였다.
• SBS에 사용자를 오프로딩하고 유지되는 사용자에 대한 전송 전력 최소화를 통해 CBS 에너지 소비가 33% 감소하였다.
• 모든 사용자의 전체 서비스 속도를 유지하면서도 높은 스펙트럼 및 에너지 효율성을 달성하였다.
• ADMM 기반 솔루션은 볼록 자원 할당 단계에서 수렴 속도를 효과적으로 가속화하여 대규모 네트워크에 대한 확장성을 향상시켰다.