[論文レビュー] Joint Access and Backhaul Resource Management in Satellite-Drone Networks: A Competitive Market Approach

Ye Hu, Mingzhe Chen+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2019

Satellite Communication Systems参考文献 35被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、統合衛星ドローンネットワーク（ISDN）における共同アクセスおよびバックホールリソース管理のための競争的市場ベースのフレームワークを提案する。ユーザー、基地局、インfraを買い手と売り手としてモデル化し、ウォルラス均衡を達成する。ヘヴィーボール法により最適リソース割り当てへの収束が保証され、高速アクセスリンクで2倍、高容量バックホールリンクで3倍の向上を達成する。

ABSTRACT

In this paper, the problem of user association and resource allocation is studied for an integrated satellite-drone network (ISDN). In the considered model, drone base stations (DBSs) provide downlink connectivity, supplementally, to ground users whose demand cannot be satisfied by terrestrial small cell base stations (SBSs). Meanwhile, a satellite system and a set of terrestrial macrocell base stations (MBSs) are used to provide resources for backhaul connectivity for both DBSs and SBSs. For this scenario, one must jointly consider resource management over satellite-DBS/SBS backhaul links, MBS-DBS/SBS terrestrial backhaul links, and DBS/SBS-user radio access links as well as user association with DBSs and SBSs. This joint user association and resource allocation problem is modeled using a competitive market setting in which the transmission data is considered as a good that is being exchanged between users, DBSs, and SBSs that act as "buyers", and DBSs, SBSs, MBSs, and the satellite that act as "sellers". In this market, the quality-of-service (QoS) is used to capture the quality of the data transmission (defined as good), while the energy consumption the buyers use for data transmission is the cost of exchanging a good. According to the quality of goods, sellers in the market propose quotations to the buyers to sell their goods, while the buyers purchase the goods based on the quotation. The buyers profit from the difference between the earned QoS and the charged price, while the sellers profit from the difference between earned price and the energy spent for data transmission. The buyers and sellers in the market seek to reach a Walrasian equilibrium, at which all the goods are sold, and each of the devices' profit is maximized. A heavy ball based iterative algorithm is proposed to compute the Walrasian equilibrium of the formulated market.

研究の動機と目的

• 統合衛星ドローンネットワーク（ISDN）における衛星、地上、ユーザーの無線アクセスリンクにわたる共同リソース割り当て問題を解決すること。
• データ送信を「商品」とし、QoSを「品質」とし、エネルギー消費を取引コストとする競争的市場としてユーザー連携とリソース割り当てをモデル化すること。
• すべての商品が売却され、すべての参加者が利益を最大化するウォルラス均衡を達成することで、システム全体の効率性を保証すること。
• ヘヴィーボールに基づく反復的アルゴリズムを設計し、部分勾配法よりも高速に収束するウォルラス均衡への収束を保証すること。
• 現実的なISDN展開シナリオ下での高速アクセスおよびバックホールリンクにおける性能向上を評価すること。

提案手法

• ユーザーと基地局を買い手とし、衛星、MBS、SBSを売り手とする競争的市場としてISDNリソース割り当て問題を形式化する。
• データ送信を「商品」とし、QoSをその「品質」とし、エネルギー消費を取引コストとする。
• 買い手の利益を達成されたQoSと支払った価格の差、売り手の利益を受領した価格とエネルギー消費の差として定義する。
• 明確に定義されたステップサイズを用いたヘヴィーボール法を適用し、価格と割り当てを反復的に更新してウォルラス均衡へ向かわせる。
• 凸緩和と強い双対性を用いて、主問題の最適解への収束を保証する。
• 時間スロットモデルを用い、衛星-基地局間距離とパスロスモデルを動的に変化させ、時間変動するデータレートを計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチティアのインfraを有する統合衛星ドローンネットワークにおいて、アクセスおよびバックホールリソースの共同割り当てを最適に管理する方法は何か？
• RQ2 競争的市場フレームワークは、ISDNにおけるユーザー、基地局、バックホールプロバイダー間の相互作用を効果的にモデル化できるか？
• RQ3 この市場ベースのモデルにおいて、ウォルラス均衡への収束を保証するアルゴリズム的手法は何か？
• RQ4 提案手法は、従来の部分勾配法と比較して、収束速度と性能の点でどのように優れているか？
• RQ5 提案フレームワーク下で、高速アクセスおよびバックホールリンクにおける性能向上はどの程度達成可能か？

主な発見

• 提案されたヘヴィーボール法により、40 Mbpsを超えるデータレートを持つ無線アクセスリンクの数が2倍に増加した。
• アルゴリズムにより、1.6 Gbpsを超えるデータレートを持つバックホールリンクの数が3倍に増加した。
• 部分勾配法と比較して収束速度が10%向上し、明確に定義されたステップサイズのもとで収束が保証された。
• 解析的結果により、アルゴリズムがウォルラス均衡へ収束することが確認され、すべてのエージェントが市場清算と利益最大化を達成することが保証された。
• 整数非線形計画問題の凸緩和により、整数最適解の存在が保証され、アプローチの妥当性が裏付けられた。
• スレイターの条件のもとで強い双対性が成立し、双対問題の解が主問題の最適値と一致することが確認された。