[論文レビュー] Licensed and Unlicensed Spectrum Allocation in Heterogeneous Networks

Zhiyi Zhou, Dongning Guo+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2015

Advanced MIMO Systems Optimization被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、許可帯と非許可帯を統合した異種ネットワーク（HetNets）における集中型で最適化に基づくスケジューリング枠組みを提案する。非許可帯の競合と干渉を捉えるためにキューイングモデルを用いる。本稿では、伝統的な直交的および全周波数再利用方式と比較して、あらゆるトラフィック状態で顕著に優れた性能を示す2つの効率的アルゴリズム—保守的および利用度依存型—を導入する。

ABSTRACT

In future networks, an operator may employ a wide range of access points using diverse radio access technologies (RATs) over multiple licensed and unlicensed frequency bands. This paper studies centralized user association and spectrum allocation across many access points in such a heterogeneous network (HetNet). Such centralized control is on a relatively slow timescale to allow information exchange and joint optimization over multiple cells. This is in contrast and complementary to fast timescale distributed scheduling. A queueing model is introduced to capture the lower spectral efficiency, reliability, and additional delays of data transmission over the unlicensed bands due to contention and/or listen-before-talk requirements. Two optimization-based spectrum allocation schemes are proposed along with efficient algorithms for computing the allocations. The proposed solutions are fully aware of traffic loads, network topology, as well as external interference levels in the unlicensed bands. Packet-level simulation results show that the proposed schemes significantly outperform orthogonal and full-frequency-reuse allocations under all traffic conditions.

研究の動機と目的

• 不規則なトポロジーと変動するトラフィック負荷を有する異種ネットワークにおける従来の周波数再利用方式の限界を解消すること。
• トラフィック負荷、ネットワークトポロジー、および非許可帯における外部干渉を考慮した集中型スケジューリング枠組みを構築すること。
• 競合やLBT（Listen-Before-Talk）メカニズムを反映するため、キューイングモデルを用いて非許可帯の現実的特性を最適化モデルに統合すること。
• スケーラブルで反復的なアルゴリズムを用いて、許可帯および非許可帯間の柔軟なユーザ接続とマルチ-RATスケジューリングを可能にすること。
• 指数分布に限定されない任意のパケット長分布をサポートすることで、先行研究の制限を超えて多様なトラフィック状態を正確にモデル化すること。

提案手法

• 性能と計算の実行可能性の両立を図るため、マルチバンド・マルチ-RATスケジューリング問題をバイコン vex 最適化問題として定式化する。
• 2つの異なる割り当て方式を導入する：[17, 18]に基づく保守的方式と、AP利用度を用いて動的セル間干渉をモデル化する利用度依存方式。
• 非許可帯伝送をキューイングシステムとしてモデル化し、競合とLBTメカニズムに起因するスペクトル効率の低下、信頼性の低下、遅延の増加を反映する。
• 各ステップで凸部分問題の系列を解く反復的アルゴリズムを設計し、管理可能な複雑さで局所最適解への収束を保証する。
• 性能指標に一般のパケット長分布を許容することで、先行研究で用いられる指数分布の仮定にとらわれない幅広い適用性を実現する。
• ラグランジュ緩和とカールシュ＝クーン＝タッカー（KKT）条件を用いて最適性条件を導出し、ユーザ-AP接続の二部グラフ表現におけるループの存在がないことを証明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数のRATが許可帯および非許可帯で動作するHetNetsにおいて、スケジューリングをどのように最適化できるか？
• RQ2 非許可帯の競合と干渉がシステム性能に与える影響は何か？ また、集中型最適化枠組みにおいてそれを正確にモデル化するにはどうすればよいか？
• RQ3 利用度依存型スケジューリング方式は、保守的または直交的再利用方式と比較して、公平性とスループットを向上させることができるか？
• RQ4 一般のパケット長分布をサポートすることで、最適化枠組みの設計と性能にどのような影響が生じるか？
• RQ5 最適なユーザ接続およびスケジューリングの構造的性質は何か？ また、ネットワーク内の干渉ループを回避できる保証はあるか？

主な発見

• 提案された利用度依存型スケジューリング方式は、すべてのテストされたトラフィック状態で直交的および全周波数再利用方式を顕著に上回り、システムスループットとユーザの公平性の両面で向上を実現する。
• 反復的アルゴリズムは管理可能な計算複雑性で局所最適解に収束するため、小規模〜中規模のHetNetsにおける実用的導入に適している。
• キューイングモデルは、競合とLBTに起因する非許可帯の性能劣化を正確に捉えており、より現実的で頑健なリソース割り当て意思決定を可能にする。
• 本フレームワークは任意のパケット長分布をサポートしており、指数分布の仮定にとらわれない多様な実世界のトラフィックパターンの正確なモデル化を可能にする。
• 理論的分析により、最適なユーザ-AP接続グラフにはループが存在しないことが証明され、解構造の安定性と一意性が保証される。
• 利便性関数のバイコン vex 定式化により、複数のRATおよびバンドを効率的に扱える柔軟性を維持しながら、効率的な最適化が可能になる。