[논문 리뷰] QoS-Aware User Association for Load Balancing in Heterogeneous Cellular Networks

Tianqing Zhou, Yongming Huang외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 12. 25.

Advanced MIMO Systems Optimization인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 이동통신 환경에서 이중적으로 가용 신호 대역폭과 자원 부하를 고려한 사용자 연결 최적화를 통해 이질적 이동통신 네트워크(HetNets)의 부하 균형을 달성하는 QoS 기반 사용자 연결 기법을 제안한다. 네트워크 전역의 가중치를 적용한 유틸리티 최대화 프레임워크를 사용하여, 이론적 수렴 보장이 있는 저복잡도 분산 알고리즘과 중심집중식 최대확률 알고리즘을 도입함으로써, 기존의 Ye의 사용자 기반 접근 방식보다 뛰어난 부하 균형, 낮은 통화 차단 확률, 더 빠른 수렴 속도를 달성한다.

ABSTRACT

To solve the problem that the low capacity in hot-spots and coverage holes of conventional cellular networks, the base stations (BSs) having lower transmit power are deployed to form heterogeneous cellular networks (HetNets). However, because of these introduced disparate power BSs, the user distributions among them looked fairly unbalanced if an appropriate user association scheme hasn't been provided. For effectively tackling this problem, we jointly consider the load of each BS and user's achievable rate instead of only utilizing the latter when designing an association algorithm, and formulate it as a network-wide weighted utility maximization problem. Note that, the load mentioned above relates to the amount of required subbands decided by actual rate requirements, i.e., QoS, but the number of associated users, thus it can reflect user's actual load level. As for the proposed problem, we give a maximum probability (max-probability) algorithm by relaxing variables as well as a low-complexity distributed algorithm with a near-optimal solution that provides a theoretical performance guarantee. Experimental results show that, compared with the association strategy advocated by Ye, our strategy has a speeder convergence rate, a lower call blocking probability and a higher load balancing level.

연구 동기 및 목표

• 기지국(BS) 간 전송 전력 수준의 이질성으로 인한 이동통신 네트워크 내 부하 불균형 문제를 해결하기 위해.
• 신호 강도나 사용자 수에만 의존하는 것이 아니라, 사용자 QoS 요구사항과 기지국 부하를 동시에 고려하여 네트워크 효율을 향상시키기 위해.
• 실시간 구현이 가능한 이론적 수렴성과 성능 보장을 갖춘 저복잡도 분산 알고리즘을 설계하기 위해.
• 제안된 기법을 기존의 사용자 기반 및 신속도 기반 연결 전략과 비교하여 부하 균형, 차단 확률, 수렴 속도 측면에서 평가하기 위해.

제안 방법

• 자원 제약 조건 하에, QoS에 따라 필요한 서브밴드 수로 정의된 부하를 고려한 네트워크 전역의 가중치를 적용한 유틸리티 최대화 문제로 사용자 연결 문제를 수식화한다.
• 최적화 문제를 해결하기 위해 변수를 완화하여 중심집중식 최대확률(max-probability) 알고리즘을 도입한다.
• 이중 분해 기법을 사용하여 분산 알고리즘을 개발함으로써, 낮은 복잡도와 빠른 수렴 속도를 갖는 근사 최적 성능를 달성한다.
• 다양한 사용자 밀도 상황에서 성능을 평가하기 위해 MARF(상승 자원 요구량) 및 MPRF(랜덤 선택) 두 가지 스케줄링 전략을 사용한다.
• 실제로 소비된 자원을 기반으로 한 부하 균형 지수를 정의하여, 단순히 사용자 수만으로 나타내는 것보다 진정된 부하 수준을 반영한다.
• 전역 문제를 사용자와 기지국이 반복적으로 해결할 수 있는 국소 하위 문제로 분해하기 위해 이중 분해 기법을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HetNets에서 QoS 요구사항을 충족하면서도 부하를 균형 있게 분산시키기 위해 사용자 연결을 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ2 자원 기반 부하 지표(필요한 서브밴드 수)와 사용자 수 기반 부하 지표를 사용할 경우 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 분산 알고리즘이 낮은 신호 교환 오버헤드와 함께 빠른 수렴 속도를 보장하면서 근사 최적 성능를 달성할 수 있는가?
• RQ4 제안된 QoS 기반 기법은 기존의 사용자 기반 연결 전략과 비교해 부하 균형과 차단 확률 측면에서 어떻게 성능가능한가?

주요 결과

• 제안된 QoS 기반 분산 알고리즘은 단 3회 반복 내에 수렴하여 Ye의 분산 알고리즘보다 훨씬 빠른 수렴 속도를 보였다.
• 최대확률 중심집중식 알고리즘이 분산 알고리즘보다 더 나은 부하 균형을 달성했으며, 약간 더 높은 부하 균형 지수를 기록했다.
• MARF 스케줄링 전략(자원 요구량이 낮은 사용자를 우선 처리)이 자원 활용 효율성이 높아, MPRF보다 전체적인 부하 균형 측면에서 뛰어난 성능을 보였다.
• 제안된 기법은 Ye의 사용자 기반 알고리즘보다 통화 차단 확률을 낮추고 더 높은 부하 균형 지수를 달성했다.
• 마크로 셀 티어의 경우, MARF와 MPRF 간 부하 균형 지수의 차이가 거의 없었는데, 이는 마크로셀이 소셀 간 간섭과 자원 부족의 영향을 덜 받기 때문이다.
• 특히 밀도가 높거나 간섭이 심한 소셀 배치 환경에서는 사용자 수 기반 지표보다 자원 기반 지표가 더 정확한 부하 균형을 제공함을 확인했다.