[論文レビュー] Dynamic Joint Uplink and Downlink Optimization for Uplink and Downlink Decoupling-Enabled 5G Heterogeneous Networks

Qi Liao, Danish Aziz+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 28被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、上行リンクと下行リンクの分離（DeUD）を有する5Gヘテロジニアスネットワーク（HetNets）において、固定点反復アルゴリズムを用いて帯域幅と制御電力を共同で割り当てることで、最小品質保障（QoS）満足度を最大化する動的で統合的な上行リンク／下行リンク最適化フレームワークを提案する。この手法は、DeUDおよび結合アクセスの両状況において、従来の比例公平性スケーリング方式を上回り、特に非対称なトラフィック負荷および現実的な干渉条件下で顕著な性能向上を示す。

ABSTRACT

The concept of user-centric and personalized service in the fifth generation (5G) mobile networks encourages technical solutions such as dynamic asymmetric uplink/downlink resource allocation and elastic association of cells to users with decoupled uplink and downlink (DeUD) access. In this paper we develop a joint uplink and downlink optimization algorithm for DeUD-enabled wireless networks for adaptive joint uplink and downlink bandwidth allocation and power control, under different link association policies. Based on a general model of inter-cell interference, we propose a three-step optimization algorithm to jointly optimize the uplink and downlink bandwidth allocation and power control, using the fixed point approach for nonlinear operators with or without monotonicity, to maximize the minimum level of quality of service satisfaction per link, subjected to a general class of resource (power and bandwidth) constraints. We present numerical results illustrating the theoretical findings for network simulator in a real-world setting, and show the advantage of our solution compared to the conventional proportional fairness resource allocation schemes in both the coupled uplink and downlink (CoUD) access and the novel link association schemes in DeUD.

研究の動機と目的

• ソーシャルおよびデータ共有アプリケーションの増加に伴い上行リンク要求が増加する5Gヘテロジニアスネットワーク（HetNets）における上行リンクと下行リンクの非対称なトラフィック負荷の課題に対処する。
• 分離された上行リンク／下行リンク（DeUD）アクセスを前提とした、上行リンクと下行リンクのリソース割り当ておよび電力制御の一般化された最適化フレームワークを構築し、柔軟なセルアソシエーションを可能にする。
• すべてのユーザーリンクにおける最小QoS満足度を最大化するが、一般的な電力制限および帯域幅制限を尊重する。
• 非線形的かつ非単調な干渉演算子を扱える3段階の固定点アルゴリズムを設計し、統合最適化問題を解く。
• 実際のネットワークシミュレーションを用いて、DeUDおよび結合上行リンク／下行リンク（CoUD）両状況において、提案手法が従来の比例公平性方式を上回ることを実証する。

提案手法

• DeUD対応ヘテロジニアスネットワークにおける一般化された干渉モデルを定式化し、上行リンクおよび下行リンク両方のセル間干渉を捉える。
• 非線形演算子に基づく固定点理論に立脚する3段階の反復的アルゴリズムを提案し、帯域幅割り当てと電力制御の共同最適化を可能にする。
• 非凸的かつ非単調な最適化問題を解くためにスケーリングに基づく固定点反復を用い、最小QoS満足度を最大化する解に収束することを保証する。
• すべてのリンクにおける最小QoS満足度を捉えるユーティリティ関数を導入し、各セルごとの総電力および帯域幅制約を設ける。
• 非線形演算子の固有ベクトルおよび固有値解析を用いた問題の再定式化により、収束保証を可能にする。
• ローマ（イタリア）の実世界のトラフィックトレースを用いてアルゴリズムを検証し、複数のアソシエーションポリシーおよび干渉状況下での性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 5Gヘテロジニアスネットワーク（HetNets）において、分離された上行リンク／下行リンクアクセスを有する状況で、上行リンクと下行リンクのリソース割り当ておよび電力制御をどのように最適化できるか。その目的は、最小QoS満足度を最大化することにある。
• RQ2 提案された統合最適化アルゴリズムは、DeUDおよびCoUD両状況において、従来の比例公平性方式に比べてどの程度の性能向上を達成するか。
• RQ3 実際の都市環境で観測される時間変動的かつ非対称な上行リンク／下行リンクトラフィック負荷下で、このアルゴリズムはどのように性能を発揮するか。
• RQ4 パスロス、受信電力、または負荷に基づく異なるリンクアソシエーションポリシーが、全体のシステムユーティリティおよびQoSの公平性に与える影響は何か。
• RQ5 干渉演算子が非単調であっても、固定点反復法は解に収束するのか。収束はどのように証明されるか。

主な発見

• 提案された統合最適化アルゴリズムは、DeUDおよびCoUD両状況において、従来の比例公平性方式よりも高い最小QoS満足度を達成する。
• シミュレーションにより、500人のユーザを含む現実的な都市無線グリッド下で、さまざまな干渉およびトラフィック条件において、アルゴリズムが信頼性高く収束することが実証された。
• 上行リンク要求が下行リンクを上回る非対称なトラフィック負荷下で、性能向上が最も顕著であり、DeUDおよび動的リソース分割の必要性を裏付けた。
• 特にDeUD構成下では、UE固有の電力制御がセル固有の電力制御よりも優れたユーティリティと公平性を達成する。
• 最適なオフセットパラメータを用いた場合、異なるアソシエーションポリシー下でも高いユーティリティを維持し、全試行の80％以上が上位3位以内のユーティリティ値を達成した。
• 動的帯域幅および電力割り当てにより、QoSを損なわずに端末のエネルギー消費を低減するエネルギー効率の高い電力制御が実現された。