[논문 리뷰] Multi-User Scheduling in the 3GPP LTE Cellular Uplink

Narayan Prasad, Honghai Zhang외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 01. 18.

Advanced Wireless Network Optimization참고 문헌 15인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 연속된 리소스 블록, 공유 스케줄링 오버랩, 전력 풀링과 같은 실용적 제약 조건을 고려하여 3GPP LTE 업링크에서 다중 사용자 스케줄링을 위한 국소 비율 테스트(LRT) 기반 다항 시간 근사 알고리즘을 제안한다. 스펙트럼 효율성을 고려하여 문제의 APX-난이도를 증명하고, 증명 가능한 성능 한계를 갖는 일정 요소 근사치를 달성한다.

ABSTRACT

In this paper, we consider resource allocation in the 3GPP Long Term Evolution (LTE) cellular uplink, which will be the most widely deployed next generation cellular uplink. The key features of the 3GPP LTE uplink (UL) are that it is based on a modified form of the orthogonal frequency division multiplexing based multiple access (OFDMA) which enables channel dependent frequency selective scheduling, and that it allows for multi-user (MU) scheduling wherein multiple users can be assigned the same time-frequency resource. In addition to the considerable spectral efficiency improvements that are possible by exploiting these two features, the LTE UL allows for transmit antenna selection together with the possibility to employ advanced receivers at the base-station, which promise further gains. However, several practical constraints that seek to maintain a low signaling overhead, are also imposed. In this paper, we show that the resulting resource allocation problem is APX-hard and then propose a local ratio test (LRT) based constant-factor polynomial-time approximation algorithm. We then propose two enhancements to this algorithm as well as a sequential LRT based MU scheduling algorithm that offers a constant-factor approximation and is another useful choice in the complexity versus performance tradeoff. Further, user pre-selection, wherein a smaller pool of good users is pre-selected and a sophisticated scheduling algorithm is then employed on the selected pool, is also examined. We suggest several such user pre-selection algorithms, some of which are shown to offer constant-factor approximations to the pre-selection problem. Detailed evaluations reveal that the proposed algorithms and their enhancements offer significant gains.

연구 동기 및 목표

• 연속된 리소스 블록, 공유 스케줄링 오버랩, 전력 풀링과 같은 실용적 제약 조건 하에서 3GPP LTE 업링크에서 효율적인 다중 사용자 스케줄링 문제를 해결한다.
• 주파수 선택적 스케줄링과 전송 안테나 선택 조건 하에서 자원 할당 문제를 제약 조건이 있는 최적화 과제로 공식화한다.
• 3GPP LTE 업링크에서의 다중 사용자 스케줄링 문제가 APX-난이도임을 증명하여, 다항 시간 내에 최적 해를 구하는 것이 P=NP가 아닌 한 불가능함을 시사한다.
• 일정 요소 성능 한계를 보장하는 국소 비율 테스트(LRT) 기반 근사 알고리즘을 설계한다.
• 성능 향상을 위해 LRT 알고리즘의 개선 및 사용자 사전 선별 기법을 탐색하며, 복잡도를 낮추는 데에도 기여한다.

제안 방법

• LTE 업링크에서 NP-난이도 문제인 다중 사용자 스케줄링 문제를 해결하기 위해 국소 비율 테스트(LRT) 기반 다항 시간 근사 알고리즘을 제안한다.
• 일정 요소 근사치를 제공하고 복잡도와 성능 사이의 트레이드오프를 제공하는 순차적 LRT 기반 스케줄링 알고리즘을 도입한다.
• 스케줄링 풀 크기를 줄이면서도 일정 요소 근사치 보장을 유지하는 사용자 사전 선별 알고리즘을 설계한다.
• 연속된 RB 할당, 공유 스케줄링 사용자 간 완전한 오버랩, 할당된 RB 간 균일한 전력 할당 등의 제약 조건을 포함한 스케줄링 문제를 모델링한다.
• 하위모듈러 최대화와 배낭 제약 조건의 완화를 활용하여 근사 비율을 한정하고, 최적 해가 LRT 해의 $ T+1+ ababla+2J $ 배 이내에 있음을 증명한다.
• 공유 스케줄링 제약 조건을 확보하기 위해 자도프-추 시퀀스의 구조를 활용하여 신뢰할 수 있는 채널 추정을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3GPP LTE 업링크에서 실용적 제약 조건 하에서 다중 사용자 스케줄링의 계산 복잡도는 무엇인가?
• RQ2 LTE 업링크 스케줄링 문제에 대해 다항 시간 근사 알고리즘을 설계할 수 있으며, 일정 요소 성능 한계를 보장할 수 있는가?
• RQ3 사용자 사전 선별 전략은 LTE 업링크 다중 사용자 스케줄링의 성능과 복잡도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 공유 스케줄링 제약 조건과 전력 풀링은 효율적인 스케줄링 알고리즘 설계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 LRT 기반 접근법은 성능 향상을 위해 개선될 수 있으며, 증명 가능한 근사 보장을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 3GPP LTE 업링크에서의 다중 사용자 스케줄링 문제는 APX-난이도임이 증명되었으며, 이는 P=NP가 아닌 한 다항 시간 내에 최적 해를 도출하는 것이 불가능함을 시사한다.
• 제안된 LRT 기반 알고리즘은 성능 한계가 $ rac{1}{T+1+ abla+2J} $ 인 일정 요소 근사치를 달성한다. 여기서 $ T $ 는 그룹당 최대 사용자 수, $ abla $ 는 이진 배낭 제약 조건의 수, $ J $ 는 일반 배낭 제약 조건의 수이다.
• 순차적 스케줄링과 사용자 사전 선별을 포함한 LRT 알고리즘의 개선 사항은 근사 보장을 유지하면서도 시뮬레이션에서 뚜렷한 성능 향상을 이룬다.
• 사용자 사전 선별 알고리즘은 사전 선별 문제에 대해 일정 요소 근사치를 제공하며, 검색 공간을 줄이면서도 스케줄링 효율성을 유지함을 입증한다.
• 기본 기반 기법 대비 상당한 스펙트럼 효율성 향상을 달성하였으며, 특히 고속 이동성 및 다중 경로 fading 환경에서 두드러진다.
• 할당된 RB 간 균일한 전력 할당 가정은 다중 사용자 다양성의 손실을 미미하게 줄여, 전력 풀링 제약 조건의 실용성을 검증한다.