[论文解读] Fairness-Oriented User Association in HetNets Using Bargaining Game Theory

Ehsan Sadeghi, Hamid Behroozi+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2020

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 8被引用 5

一句话总结

本文提出了一种面向公平性的异构网络（HetNets）用户关联方案，采用纳什议价解（NBS）以平衡负载并确保宏站与微微站之间比例公平。通过将用户关联建模为议价博弈，并引入一种新型基于SINR的联盟生成算法（SCGA），该方案在显著提升公平性与收敛速度的同时，实现了接近最大总速率的性能——在负载分配、Jain公平性指数及回传效率方面优于以吞吐量为导向的方案。

ABSTRACT

In this paper, the user association and resource allocation problem is investigated for a two-tier HetNet consisting of one macro Base Station (BS) and a number of pico BSs. The effectiveness of user association to BSs is evaluated in terms of fairness and load distribution. In particular, the problem of determining a fair user association is formulated as a bargaining game so that for the Nash Bargaining Solution (NBS) abiding the fairness axioms provides an optimal and fair user association. The NBS also yields in a Pareto optimal solution and leads to a proportional fair solution in the proposed HetNet model. Additionally, we introduce a novel algorithmic solution in which a new Coalition Generation Algorithm (CGA), called SINR-based CGA, is considered in order to simplify the coalition generation phase. Our simulation results show the efficiency of the proposed user association scheme in terms of fairness and load distribution among BSs and users. In particular, we compare the performance of the proposed solution with that of the throughput-oriented scheme in terms of the max-sum-rate scheme and show that the proposed solution yields comparable average data rates and overall sum rate.

研究动机与目标

• 解决因以吞吐量为导向的用户关联方案导致的两层HetNets中负载分配不均与数据速率分配不公平的问题。
• 通过在用户关联过程中引入公平性公理，提升基站（BSs）与用户之间的公平性。
• 设计一种高效的算法解决方案，以降低在多用户、多BS HetNet场景下实现纳什议价解（NBS）的计算复杂度。
• 通过在优化框架中强制执行最小数据速率约束，确保所有用户的最低服务质量（QoS）。
• 评估所提方案在公平性、总速率与收敛时间之间与传统以吞吐量最大化（最大总速率）方案的权衡表现。

提出的方法

• 将用户关联问题建模为一个议价博弈，其中基站作为参与者，纳什议价解（NBS）确保帕累托最优与比例公平。
• 将NBS优化问题转化为凸问题，以利用标准凸优化技术实现高效求解。
• 将双带分区方法适配至双用户场景，以实现低复杂度的NBS计算，降低计算开销。
• 设计一种新型基于SINR的联盟生成算法（CGA），以在多用户场景下高效生成联盟，提升可扩展性。
• 将基于SINR的CGA与双带分区方法相结合，形成SCGA-NBS方案，实现分布式且公平的用户关联。
• 定义并使用总速率比（SRR）以量化宏站与微微站之间回传负载的不平衡程度，确保满足基础设施约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 议价博弈理论方法是否能在HetNets中实现比以吞吐量为导向的方案更优的用户关联公平性？
• RQ2 在多用户、多BS HetNet环境中，如何降低实现纳什议价解（NBS）的计算复杂度？
• RQ3 所提出的SCGA-NBS方案在负载分配与公平性方面相较于最大总速率方案与先前基于NBS的方案，改善程度如何？
• RQ4 所提方案是否在确保所有用户最低数据速率需求的同时，维持较高的系统总速率？
• RQ5 SCGA-NBS方案的收敛时间与以吞吐量为导向的最大总速率方案相比如何？

主要发现

• 所提SCGA-NBS方案实现了最大总速率方案83–98%的整体总速率，表明频谱效率接近最优。
• 该方案显著提升了基站与用户层面的Jain公平性指数（JI），JI值始终高于以吞吐量为导向的方案以及文献[7]中的先前基于NBS的方法。
• 所提方案的总速率比（SRR）范围为0.1至0.2，表明宏站与微微站之间负载分配均衡；而以吞吐量为导向的方案SRR < 0.01，表明宏站严重过载。
• SCGA-NBS方案的收敛时间约为以吞吐量为导向的最大总速率方案的五分之一，表明其具有更优的算法效率。
• 所有用户均满足其最低数据速率要求（QoS），证实公平性并未损害服务保障。
• 基于SINR的CGA有效简化了联盟生成过程，实现了NBS在实际HetNet部署中的可扩展且低复杂度实现。