[논문 리뷰] User Transmit Power Minimization through Uplink Resource Allocation and User Association in HetNets

Umar Farooq, Umair Sajid Hashmi외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 13.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 16인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 이중 토너먼트 이질적 네트워크(HetNets)에서 잔류 대역폭을 활용하여 사용자 전송 전력 최소화를 목표로 하는 동시 상行 사용자 연결 및 자원 할당 방안을 제안한다. 잔류 대역폭이 높은 기지국에 사용자를 할당함으로써 동일한 QoS 조건에서 더 넓은 대역폭 할당과 낮은 전송 전력이 가능해지며, 이로 인해 평균 상행 전송 전력이 -2.8 dBm(반분산형) 및 8.2 dBm(분산형)으로 감소하여 Max RSRP 및 CIO 기반 방식 대비 각각 22.8 dBm 및 11.2 dBm 향상된다.

ABSTRACT

The popularity of cellular internet of things (IoT) is increasing day by day and billions of IoT devices will be connected to the internet. Many of these devices have limited battery life with constraints on transmit power. High user power consumption in cellular networks restricts the deployment of many IoT devices in 5G. To enable the inclusion of these devices, 5G should be supplemented with strategies and schemes to reduce user power consumption. Therefore, we present a novel joint uplink user association and resource allocation scheme for minimizing user transmit power while meeting the quality of service. We analyze our scheme for two-tier heterogeneous network (HetNet) and show an average transmit power of -2.8 dBm and 8.2 dBm for our algorithms compared to 20 dBm in state-of-the-art Max reference signal received power (RSRP) and channel individual offset (CIO) based association schemes.

연구 동기 및 목표

• 배터리 제약이 있는 IoT 장치의 도입을 제한하는 5G 이질적 네트워크에서 높은 상행 전송 전력 문제를 해결한다.
• HetNets에서 상행-하향 링크 비대칭성을 해소하기 위해 상행 및 하향 링크 연결을 분리하여 상행 전력 소비를 최적화한다.
• 품질 보증(QoS) 요구사항을 충족시키면서 사용자 전송 전력을 최소화함으로써 IoT 장치의 에너지 효율성을 향상시킨다.
• 잔류 대역폭을 사용자 연결 결정 과정에 통합하여 적재량 균형을 도모함으로써 매크로셀 과부하를 방지한다.
• 전력 효율적인 상행 자원 할당 및 연결 방식을 통해 5G 네트워크에서 저전력 IoT 장치의 광범위한 도입을 가능하게 한다.

제안 방법

• 샤논 용량 공식을 사용하여 사용자 전송 전력을 서비스 기지국(BS)까지의 경로 손실 및 할당 대역폭의 함수로 수식화한다.
• 기지국의 잔류 대역폭을 기존 사용자에게 할당되지 않은 스펙트럼으로 정의하며, 이는 사용자 연결에서 핵심 지표로 사용된다.
• 경로 손실과 잔류 대역폭을 조합한 새로운 연결 점수를 제안하여 채널 품질이 양호하고 가용 스펙트럼이 있는 기지국을 우선시하는 사용자 연결을 유도한다.
• 중앙집중식 잔류 대역폭 정보를 사용하는 반분산형 알고리즘과 현지 지식만을 사용하는 분산형 알고리즘을 구현하며, 둘 다 전송 전력 최소화를 목표로 한다.
• 잔류 대역폭이 존재할 경우 기회적 자원 할당을 통해 더 넓은 대역폭을 사용자에게 할당함으로써 동일한 데이터 전송 속도에서 요구 전력이 감소한다.
• 상행 전용 최적화를 가능하게 하기 위해 상행-하향 링크 아키텍처를 분리하여 상행 연결을 하향 링크 연결에서 분리함으로써 에너지 효율성을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 필요한 사용자 용량과 QoS를 유지하면서 HetNet에서 상행 전송 전력을 어떻게 최소화할 수 있는가?
• RQ2 기존의 RSRP 또는 CIO 기반 방식과 비교해 사용자 연결 결정에 잔류 대역폭을 통합할 경우 에너지 효율성은 어느 정도 향상되는가?
• RQ3 제안된 방식은 HetNets에서 매크로셀과 스몰셀 간의 적재량 균형에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 다양한 네트워크 하중 및 기지국 밀도 조건에서 전송 전력 절감과 스펙트럼 효율성 간의 트레이드오프는 어떻게 나타나는가?
• RQ5 제안된 동시 연결 및 자원 할당 알고리즘의 성능은 기지국 밀도 및 네트워크 하중 조건에 대해 얼마나 민감한가?

주요 결과

• 제안된 반분산형 알고리즘은 평균 상행 전송 전력을 -2.8 dBm으로 줄여 Max RSRP 및 CIO 기반 방식의 20 dBm 대비 22.8 dBm 향상시켰다.
• 분산형 알고리즘은 평균 전송 전력을 8.2 dBm으로 유지하여 20 dBm 기준선 대비 11.2 dBm 감소시켰으며, 국소적 결정만으로도 뛰어난 성능을 보였다.
• 잔류 대역폭이 있는 스몰셀을 우선적으로 활용함으로써 매크로셀과 스몰셀 간의 적재량 균형을 효과적으로 달성하였으며, 1세크터당 1개의 스몰 BS가 존재하는 조건에서도 매크로셀 혼잡도가 감소하였다.
• 낮은 전송 전력으로 인한 낮은 SINR에도 불구하고, 샤논 공식에 따라 증가된 대역폭이 신호 품질 열 劣를 상쇄하여 사용자 용량 요구사항이 항상 충족되었다.
• 3개 및 12개의 스몰 BS가 셀당 존재하는 조건에서 성능 향상이 유사하게 유지되어 다양한 네트워크 조건에서의 확장성과 안정성을 입증하였다.
• 낮고 중간 수준의 하중 조건에서는 넓은 대역폭 할당으로 인해 스펙트럼 효율성이 약간 감소하지만, 잔류 대역폭이 존재하지 않는 고하중 조건에서는 스펙트럼 효율성이 변화하지 않았다.