[論文レビュー] Joint Power Control and Fronthaul Rate Allocation for Throughput Maximization in OFDMA-based Cloud Radio Access Network

Liang Liu, Suzhi Bi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 13被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、OFDMAベースのクラウド無線アクセスネットワーク（C-RAN）における、フロントハール容量制約下でのシステムスルーレートを最大化するための、統合的パワー制御およびフロントハールレート割り当て方式を提案する。実用的な均一スカラ量子化を用い、パワーと量子化を統合最適化することで、ほぼ容量性能に近い性能を達成し、分離最適化との比較で顕著な利得を示す。また、フロントハール容量が十分に大きい場合には、理論的上限性能と重複する性能を達成する。

ABSTRACT

The performance of cloud radio access network (C-RAN) is constrained by the limited fronthaul link capacity under future heavy data traffic. To tackle this problem, extensive efforts have been devoted to design efficient signal quantization/compression techniques in the fronthaul to maximize the network throughput. However, most of the previous results are based on information-theoretical quantization methods, which are hard to implement due to the extremely high complexity. In this paper, we consider using practical uniform scalar quantization in the uplink communication of an orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) based C-RAN system, where the mobile users are assigned with orthogonal sub-carriers for multiple access. In particular, we consider joint wireless power control and fronthaul quantization design over the sub-carriers to maximize the system end-to-end throughput. Efficient algorithms are proposed to solve the joint optimization problem when either information-theoretical or practical fronthaul quantization method is applied. Interestingly, we find that the fronthaul capacity constraints have significant impact to the optimal wireless power control policy. As a result, the joint optimization shows significant performance gain compared with either optimizing wireless power control or fronthaul quantization alone. Besides, we also show that the proposed simple uniform quantization scheme performs very close to the throughput performance upper bound, and in fact overlaps with the upper bound when the fronthaul capacity is sufficiently large. Overall, our results would help reveal practically achievable throughput performance of C-RAN, and lead to more efficient deployment of C-RAN in the next-generation wireless communication systems.

研究の動機と目的

• 高データトラフィック環境における制限されたフロントハール容量が引き起こすスルーレート低下を解消すること。
• 上行リンクにおいて、情報理論的量子化手法の現実的でない複雑さを回避するため、実用的な均一スカラ量子化を採用すること。
• 直交サブキャリア across における無線パワー制御とフロントハールレート割り当てを統合最適化することで、システム合計スルーレートを最大化すること。
• パワー制御またはフロントハール割り当てを個別に最適化するのと比較して、統合最適化が顕著に優れていることを示すこと。
• 変動するフロントハール制約下で、実用的量子化と理論的スルーレート上限との性能ギャップを評価すること。

提案手法

• サブキャリア割り当て、パワー制御、フロントハール量子化レート割り当てを含む、上行リンクOFDMAベースC-RANの統合最適化問題を定式化する。
• 実装の複雑さを低減するため、均一スカラ量子化を用いてフロントハールを「量子化して転送」するリンクとしてモデル化する。
• 情報理論的および実用的量子化モデルの両方において、非凸最適化問題を効率的に解くための効率的アルゴリズムを提案する。
• フロントハール容量制約下での最適パワー割り当て方針を導出し、フロントハール制限が最適パワー分配に直接的な影響を及けることを示す。
• カットセット境界解析を用いて理論的スルーレート上限を確立し、提案手法の性能と比較する。
• 凹型近似と双対性に基づく最適化技術を適用して、統合的パワーと量子化設計問題を効率的に解く。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OFDMAベースC-RANにおいて、パワー制御とフロントハールレート割り当てを統合最適化することで、個別最適化と比較してスルーレートがどの程度向上するか？
• RQ2 フロントハール制約下のC-RANにおいて、実用的な均一スカラ量子化は、情報理論的量子化の性能をどの程度近似できるか？
• RQ3 フロントハール容量制約は、C-RANにおける最適無線パワー制御方針にどのような影響を及えるか？
• RQ4 提案された実用的手法は、理論的スルーレート上限に対してどの程度近いか？
• RQ5 どの程度のフロントハール容量条件下で、実用的手法の性能が上限と区別できないほどになるか？

主な発見

• パワー制御とフロントハールレート割り当てを統合最適化することで、いずれかの要素を個別に最適化するのと比較して顕著なスルーレート向上が達成される。
• 提案された実用的な均一スカラ量子化方式は、理論的スルーレート上限に極めて近い性能を発揮し、フロントハール容量が十分に大きい場合には上限と重複する性能を達成する。
• フロントハール容量制約は、最適パワー制御方針に顕著な影響を及えるため、性能最大化のためには統合設計が不可欠である。
• フロントハール容量が高くなると、提案手法のシステムスルーレートは理論的カットセット境界と一致し、ほぼ最適性能を達成する。
• フロントハール容量が増加するにつれて、提案手法と上限との性能ギャップが縮小するため、本手法のスケーラビリティと効率性が裏付けられる。
• 提案手法が達成する合計スルーレートは、カットセット境界に基づく下限を、フロントハールおよびパワー制約に応じた余裕で上回り、その有効性が検証される。