[论文解读] A Utility Proportional Fairness Resource Allocation in Spectrally Radar-Coexistent Cellular Networks

Mo Ghorbanzadeh, Ahmed Abdelhadi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2014

Wireless Communication Networks Research参考文献 9被引用 4

一句话总结

本文提出了一种两阶段凸优化框架，用于在频谱共存的蜂窝网络与雷达网络之间实现效用比例公平的资源分配。首先将雷达频谱分配给非干扰区域，然后将剩余频谱分配给所有区域，确保公平性并避免干扰，仿真结果表明即使雷达靠近，也能实现均衡的速率分配。

ABSTRACT

Spectrum sharing is an elegant solution to addressing the scarcity of the bandwidth for wireless communications systems. This research studies the feasibility of sharing the spectrum between sectorized cellular systems and stationary radars interfering with certain sectors of the communications infrastructure. It also explores allocating optimal resources to mobile devices in order to provide with the quality of service for all running applications whilst growing the communications network spectrally coexistent with the radar systems. The rate allocation problem is formulated as two convex optimizations, where the radar-interfering sector assignments are extracted from the portion of the spectrum non-overlapping with the radar operating frequency. Such a double-stage resource allocation procedure inherits the fairness into the rate allocation scheme by first assigning the spectrally radar-overlapping resources.

研究动机与目标

• 解决蜂窝网络与高功率雷达之间的频谱共存挑战，以防止相互干扰。
• 确保在共享雷达频谱的蜂窝网络中，多样化应用（实时与延迟容忍型）的服务质量（QoS）。
• 开发一种资源分配方案，通过补偿初始被雷达干扰的区域所排除的资源，维持公平性。
• 制定双阶段优化，首先将雷达频谱分配给非干扰区域，然后将剩余带宽分配给所有区域。

提出的方法

• 将速率分配问题建模为两个凸优化问题，以确保全局最优性和公平性。
• 使用S型函数和对数效用函数分别建模延迟容忍型和实时型应用。
• 实施两阶段分配：第一阶段仅将雷达邻近频段分配给非干扰区域（排除干扰区域），第二阶段将非重叠通信频段分配给所有区域。
• 采用拉格朗日松弛和对偶分解技术，高效求解凸优化问题。
• 通过在第一阶段排除干扰区域参与雷达频段分配，纳入雷达干扰约束。
• 通过在第二阶段为干扰区域分配更多资源，以补偿其初始排除，确保公平性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不造成有害干扰的前提下，实现蜂窝网络与雷达之间的频谱共享？
• RQ2 如何优化资源分配，以在频谱共存系统中维持多样化应用类型的服务质量？
• RQ3 两阶段分配方案能否在避免干扰雷达运行的同时确保公平性？
• RQ4 雷达距离对干扰蜂窝区域可实现数据速率有何影响？
• RQ5 与非共存分配相比，所提方法在公平性和速率分布方面表现如何？

主要发现

• 所提出的两阶段方案通过仅在第一阶段将雷达频谱分配给非干扰区域，成功避免了干扰。
• 干扰区域（红色）在第一阶段获得零速率分配，但在第二阶段因补偿性分配而出现速率急剧上升。
• 第二阶段开始后，所有区域的速率迅速趋同，表明尽管初始被排除，仍实现了公平分配。
• 在总速率为250单位时，雷达干扰区域（R_comm^3）从通信频段获得50个带宽单位，但仅在达到200单位阈值后才开始分配。
• 相比之下，若无雷达共存，干扰区域从一开始就获得带宽，显示出分配行为的根本差异。
• 仿真结果证实，该方案在确保频谱共存的同时，维持了公平性与服务质量。