[논문 리뷰] Resource Allocation in Dynamic TDD Heterogeneous Networks under Mixed Traffic

Qiang Fan, Hancheng Lu외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 24.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 21인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 혼합 트래픽 환경에서 동적 TDD 이화학적 네트워크에 대해 저전력 거의 빈 서브프레임(Low-Power Almost Blank Subframe, LP-ABS) 기반의 자원 할당 방식을 제안한다. 이는 기지국에서의 네트워크 용량 최대화와 사용자 단말기에서의 네트워크 유틸리티 최대화를 결합하여 스펙트럼 효율성과 QoS 만족도를 향상시킨다. 이 방법은 매크로셀에서 소셀로의 간섭을 줄이며 변동하는 트래픽 수요에 대한 유연성을 유지함으로써 기존 기법들보다 전송률과 서비스율 신뢰성 면에서 뛰어나다.

ABSTRACT

Recently, Dynamic Time Division Duplex (TDD) has been proposed to handle the asymmetry of traffic demand between DownLink (DL) and UpLink (UL) in Heterogeneous Networks (HetNets). However, for mixed traffic consisting of best effort traffic and soft Quality of Service (QoS) traffic, the resource allocation problem has not been adequately studied in Dynamic TDD HetNets. In this paper, we focus on such problem in a two-tier HetNet with co-channel deployment of one Macro cell Base Station (MBS) and multiple Small cell Base Stations (SBSs) in hotspots. Different from existing work, we introduce low power almost blank subframes to alleviate MBS-to-SBS interference which is inherent in TDD operation. To tackle the resource allocation problem, we propose a two-step strategy. First, from the view point of base stations, we propose a transmission protocol and perform time resource allocation by formulating and solving a network capacity maximization problem under DL/UL traffic demands. Second, from the view point of User Equipments (UEs), we formulate their resource allocation as a Network Utility Maximization (NUM) problem. An efficient iterative algorithm is proposed to solve the NUM problem. Simulations show the advantage of the proposed algorithm in terms of network throughput and UE QoS satisfaction level.

연구 동기 및 목표

• 동적 TDD 이화학적 네트워크에서 시간에 따라 변하는 다운링크 및 업링크 트래픽 수요의 비대칭성 문제를 해결한다.
• 동일 주파수 대응 환경에서 고출력 매크로셀 전송으로 인한 심각한 MBS-to-SBS 간섭을 완화한다.
• 높은 트래픽 변동성이 발생하는 소셀에서 스펙트럼 효율성과 시스템 유연성을 향상시킨다.
• 통합 자원 할당 프레임워크 내에서 베스트 에프터 트래픽을 지원하면서 소프트 QoS 트래픽의 QoS 만족도를 확보한다.
• 기지국과 사용자 단말기의 자원 사용을 공동으로 최적화하는 이중계층 자원 할당 전략을 개발한다.

제안 방법

• 다운링크 전송 전력을 줄이기 위해 빈 서브프레임 대신 저전력 거의 빈 서브프레임(LP-ABS)을 매크로 기지국(MBS)에 도입하여 소셀 업링크 전송에 대한 간섭을 최소화한다.
• 트래픽 수요에 기반하여 각 프레임을 정상적인 DL/UL 기간과 LP-ABS 기간으로 나누는 기반국 수준 자원 할당 문제를 네트워크 용량 최대화 문제로 수식화한다.
• 사용자 단말기 수준 자원 할당을 네트워크 유틸리티 최대화(NUM) 문제로 모델링하여 UE 간 전송률과 QoS 만족도를 균형 있게 조절한다.
• UE 수준에서 분산적이고 확장 가능한 자원 할당을 가능하게 하기 위해 NUM 문제를 해결하는 효율적인 반복 알고리즘을 제안한다.
• MBS에서의 전력 제어와 SBS에서의 동적 서브프레임 구성 통합을 통해 소셀의 변동하는 DL/UL 트래픽에 적응한다.
• 이중 단계 전략을 사용한다: 먼저 기지국에서 네트워크 용량을 최적화하고, 그 다음 사용자 단말기에서 유틸리티를 최대화하여 간섭 완화와 공정성 확보를 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 혼합 트래픽 환경에서 동적 TDD 이화학적 네트워크에서 MBS-to-SBS 간섭을 어떻게 효과적으로 완화할 수 있는가?
• RQ2 기존의 ABS나 eICIC 기법에 비해 LP-ABS는 스펙트럼 효율성 향상에 어느 정도 기여하는가?
• RQ3 제안된 이중 단계 자원 할당 전략은 혼합 트래픽 유형 간 전송률과 QoS 만족도를 어떻게 균형 있게 조절하는가?
• RQ4 트래픽 부하와 전송 요구 사양이 제안된 기법 하에서 소프트 QoS 흐름의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 다양한 네트워크 부하와 트래픽 비대칭성 조건 하에서도 제안된 기법이 성능을 유지하는 방식은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 LP-ABS 기법은 모든 네트워크 부하에서 eICIC, 동기화 및 UM-ABS 기법보다 뛰어난 다운링크 전송률을 달성한다.
• 업링크 방향에서 제안된 기법은 eICIC 및 동기화 기법과 유사한 성능을 보이며, 교차 링크 간섭이 감소함으로써 UM-ABS 기법보다 뚜렷이 뛰어나다.
• 소프트 QoS 트래픽의 경우, 요구 전송률이 시스템의 자원 예산 내에 있는 한 비율 위반 확률은 거의 0에 가까운 상태를 유지한다.
• 소프트 QoS 트래픽의 요구 전송률이 0.2 Mbps에서 1 Mbps로 증가할 경우, 특히 업링크 방향에서 베스트 에프터 흐름의 평균 전송률은 천천히 저하된다.
• UM-ABS 기법은 업링크 서브프레임 할당 부족과 SBS에서 MBS로의 심각한 간섭으로 인해 양 방향에서 가장 열악한 성능을 보였다.
• 제안된 기법은 LP-ABS와 동적 구성으로 스펙트럼 자원을 효율적으로 활용하면서도 소프트 QoS 흐름을 우선시함으로써 높은 QoS 만족도와 전송률을 유지한다.