[论文解读] A Decentralized Method for Joint Admission Control and Beamforming in Coordinated Multicell Downlink

Hoi-To Wai, Wing‐Kin Ma|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2012

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 11被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于协调多小区MISO下行链路系统的去中心化联合准入控制与波束成形（JACoB）方法，采用ℓ₁-近似来凸化组合优化问题，并通过块坐标下降法实现每基站的独立优化。该方法在快速收敛和减少回传信令的同时，实现了与集中式方法相当的性能，仿真结果验证了其在预筛选机制下接近最优的用户准入和高效的迭代次数。

ABSTRACT

In cellular networks, admission control and beamforming optimization are intertwined problems. While beamforming optimization aims at satisfying users' quality-of-service (QoS) requirements or improving the QoS levels, admission control looks at how a subset of users should be selected so that the beamforming optimization problem can yield a reasonable solution in terms of the QoS levels provided. However, in order to simplify the design, the two problems are usually seen as separate problems. This paper considers joint admission control and beamforming (JACoB) under a coordinated multicell MISO downlink scenario. We formulate JACoB as a user number maximization problem, where selected users are guaranteed to receive the QoS levels they requested. The formulated problem is combinatorial and hard, and we derive a convex approximation to the problem. A merit of our convex approximation formulation is that it can be easily decomposed for per-base-station decentralized optimization, namely, via block coordinate decent. The efficacy of the proposed decentralized method is demonstrated by simulation results.

研究动机与目标

• 为解决协调多小区下行链路系统中准入控制与波束成形的耦合挑战，其中联合优化可提升频谱效率与服务质量（QoS）。
• 将联合准入控制与波束成形（JACoB）建模为在QoS约束下最大化用户数的问题，该问题本质上是组合优化且为NP难问题。
• 提出JACoB问题的凸近似，以支持通过块坐标下降法（BCD）实现去中心化部署。
• 通过实现每基站独立优化，避免集中协调，从而降低回传信令与计算负载。
• 证明所提出的去中心化方法在预筛选程序的辅助下，能实现接近集中式解的性能，同时显著减少迭代次数。

提出的方法

• 将JACoB建模为在SINR约束下最大化用户数的问题，使用凸的ℓ₁-近似替代用户选择的组合性表达。
• 应用块坐标下降法（BCD）将问题分解为每基站的子问题，实现去中心化优化。
• 引入预筛选程序，移除干扰矩阵最小特征值较低的用户，以在BCD迭代前缩小搜索空间。
• 采用降阶启发式算法：迭代求解凸的BCD子问题，并移除对偶变量（tq⋆）最大的用户，直至无法找到可行波束成形解为止。
• 对最优解矩阵（Wq⋆）进行秩一分解，以恢复满足SINR要求的波束成形向量。
• 将ℓ₁-近似与BCD框架结合，确保在去中心化环境下保持凸性与收敛性保证。

实验结果

研究问题

• RQ1 JACoB问题的凸近似是否能够支持在协调多小区MISO下行链路系统中实现去中心化部署？
• RQ2 所提出的去中心化JACoB方法在用户准入数量与收敛速度方面，与集中式方法相比表现如何？
• RQ3 预筛选程序在去中心化JACoB框架中，能在多大程度上减少BCD迭代次数与回传信令？
• RQ4 ℓ₁-近似方法是否能在支持分布式优化的同时，维持接近最优的用户准入性能？
• RQ5 所提出的方法是否能在无需完整网络协调的情况下，实现与基于SDR的集中式方法相当的性能？

主要发现

• 所提出的去中心化JACoB方法在总用户准入数量上与集中式方法相当，尤其在高SINR场景下表现优异。
• 在12 dB SINR阈值下，采用预筛选后平均BCD迭代次数降至53.08（无预筛选时为61.79）；在20 dB时分别降至31.03与59.29。
• 由于迭代次数显著减少，该方法大幅降低了回传信令负载，因总迭代次数与回传开销成正比。
• 相较于单小区降阶方法，性能增益证实了小区间协调在波束成形与准入控制中的优势。
• ℓ₁-近似实现了凸且可分解的公式化，支持通过BCD实现高效的去中心化部署，而此前的集中式SDR方法不具备此特性。
• 结合预筛选的降阶启发式算法收敛迅速，且保持高用户准入率，证明了其在实时部署中的实际可行性。