[논문 리뷰] Load Balancing for 5G Ultra-Dense Networks using Device-to-Device Communications

Hongliang Zhang, Lingyang Song외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 16.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 28인용 수 28

한 줄 요약

이 논문은 5G 초밀도 소셀 네트워크에서 추가 스펙트럼 없이 혼잡한 소셀로부터 부하를 덜어내기 위해 D2D 기반의 로드 밸런싱 기법을 제안한다. 단조성 최적화와 기하프로그래밍을 통한 자원배정 및 D2D 라우팅의 공동 최적화를 통해 기존 방법에 비해 평균 20% 향상된 시스템 합성율을 달성한다.

ABSTRACT

Load balancing is an effective approach to address the spatial-temporal fluctuation problem of mobile data traffic for cellular networks. The existing schemes that focus on channel borrowing from neighboring cells cannot be directly applied to future 5G wireless networks, because the neighboring cells will reuse the same spectrum band in 5G systems. In this paper, we consider an orthogonal frequency division multiple access~(OFDMA) ultra-dense small cell network, where Device-to-Device~(D2D) communication is advocated to facilitate load balancing without extra spectrum. Specifically, the data traffic can be effectively offloaded from a congested small cell to other underutilized small cells by D2D communications. The problem is naturally formulated as a joint resource allocation and D2D routing problem that maximizes the system sum-rate. To efficiently solve the problem, we decouple the problem into a resource allocation subproblem and a D2D routing subproblem. The two subproblems are solved iteratively as a monotonic optimization problem and a complementary geometric programming problem, respectively. Simulation results show that the data sum-rate in the neighboring small cells increases 20\% on average by offloading the data traffic in the congested small cell to the neighboring small cell base stations~(SBSs).

연구 동기 및 목표

• 5G 초밀도 소셀 네트워크에서의 공간-시간적 트래픽 변동 문제를 해결한다.
• 5G에서 스펙트럼 재사용으로 인해 적용이 불가능한 기존 채널 빌리지 방식의 한계를 극복한다.
• 장치 간 통신(D2D)을 활용해 혼잡한 소셀에서 이웃한 저사용 소셀로 효율적인 트래픽 오프로딩을 가능하게 한다.
• 자원배정 및 D2D 라우팅의 공동 최적화를 통해 시스템 합성율을 극대화한다.
• OFDMA 기반 5G 초밀도 네트워크와 호환되는 확장 가능하고 스펙트럼 효율적인 솔루션을 개발한다.

제안 방법

• 시스템 합성율을 극대화하기 위해 자원배정 및 D2D 라우팅 최적화를 통합한 로드 밸런싱 문제를 수립한다.
• 문제를 두 개의 하위문제로 분해한다: 자원배정(단조성 최적화로 해결) 및 D2D 라우팅(보완 기하프로그래밍으로 해결).
• 두 하위문제를 반복적으로 해결하여 근사 최적해에 수렴한다.
• 초밀도 소셀 배치에서 높은 스펙트럼 효율성을 지원하기 위해 직교 주파수 분할 다중접근(OFDMA)을 사용한다.
• 이웃 셀의 사용자 장치 간 직접 데이터 오프로딩을 가능하게 하기 위해 D2D 통신을 활용한다.
• 서비스 품질 제약 조건 하에 전력 및 서브케이너 할당 최적화를 통해 간섭을 통제한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 D2D 통신은 5G 초밀도 네트워크에서 혼잡한 소셀의 트래픽을 저사용 소셀로 효과적으로 오프로딩할 수 있는가?
• RQ2 자원배정과 D2D 라우팅을 공동으로 최적화하여 시스템 합성율을 극대화할 수 있는가?
• RQ3 기존의 로드 밸런싱 방법에 비해 제안된 기법이 OFDMA 기반 초밀도 네트워크에서 얼마나 높은 성능 향상을 이룰 수 있는가?
• RQ4 단조성 최적화와 기하프로그래밍을 기반으로 한 반복적 솔루션 접근 방식은 실질적으로 얼마나 효과적인가?
• RQ5 추가 스펙트럼 할당 없이 5G 네트워크의 스펙트럼 재사용은 로드 밸런싱에 얼마나 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 D2D 기반 로드 밸런싱 기법은 이웃 소셀의 데이터 합성율을 평균 20% 향상시킨다.
• 단조성 최적화와 기하프로그래밍을 융합한 반복적 솔루션 접근 방식은 고품질의 해에 효과적으로 수렴한다.
• D2D 통신은 추가 스펙트럼 자원 없이도 효율적인 트래픽 오프로딩을 가능하게 한다.
• 소셀 간 공간-시간적 트래픽 변동이 높은 환경에서 이 기법은 특히 효과적이다.
• 자원배정과 D2D 라우팅의 공동 최적화는 기존의 셀 기반 로드 밸런싱 방법보다 뚜렷한 성능 향상을 이룬다.
• 간섭을 방지하면서도 스펙트럼 효율성을 극대화함으로써 시스템의 안정성과 공정성을 유지한다.