[论文解读] Coordinated Scheduling and Spectrum Sharing via Matrix Fractional Programming.

Kaiming Shen, Wei Yu+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2018

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 36被引用 1

一句话总结

该论文提出FPLinQ，一种新颖的设备到设备（D2D）通信协调框架，采用矩阵分数规划（MFP）联合优化链路调度、功率控制、波束成形和用户配对。通过将标量和向量分数规划推广至支持多数据流和任意设备关联，FPLinQ在干扰受限的D2D网络中相较于先前方法（如FlashLinQ和ITLinQ+）实现了显著的频谱效率提升。

ABSTRACT

Interference management is a fundamental issue in device-to-device (D2D) communications whenever the transmitter-and-receiver pairs are located geographically in close proximity and frequencies are fully reused, so active links may severely interfere with each other. This paper devises an optimization strategy named FPLinQ to coordinate the link scheduling decisions among the interfering links, along with power control and beamforming. The key enabler is a novel optimization method called matrix fractional programming (FP) that generalizes previous scalar and vector forms of FP in allowing multiple data streams per link. From a theoretical perspective, this paper provides a deeper understanding of FP by showing a connection to the minorization-maximization (MM) algorithm. From an application perspective, this paper shows that as compared to the existing methods for coordinating scheduling in the D2D network, such as FlashLinQ, ITLinQ, and ITLinQ+, the proposed FPLinQ approach is more general in allowing multiple antennas at both the transmitters and the receivers, and further in allowing arbitrary and multiple possible associations between the devices via matching. Numerical results show that FPLinQ significantly outperforms the previous state-of-the-art in a typical D2D communication environment.

研究动机与目标

• 解决在发射机与接收机地理位置接近且使用完全复用频谱的密集设备到设备（D2D）网络中面临的干扰挑战。
• 克服现有调度框架（如FlashLinQ和ITLinQ+）的局限性，后者仅限于单流传输和固定用户关联。
• 开发一个统一的优化框架，支持发射机和接收机均使用多天线，以及通过匹配实现的任意和多对设备关联。
• 通过一种可处理多流传输和复杂网络拓扑的广义优化方法，实现更高效的频谱共享和干扰协调。

提出的方法

• 引入矩阵分数规划（MFP）作为新型优化框架，将标量和向量分数规划推广至支持每条链路的多数据流。
• 将联合调度、功率控制和波束成形问题建模为矩阵分数规划问题，实现干扰协调与频谱效率的同时优化。
• 建立MFP与分量最大化（MM）算法之间的理论联系，提供一种收敛且稳定的迭代求解方法。
• 设计一种基于匹配的用户关联机制，支持发射机与接收机之间的任意和多重配对，提升系统灵活性和吞吐量。
• 基于MFP和MM设计一种迭代算法，求解非凸优化问题，确保收敛至局部最优解。
• 将波束成形和功率控制集成到调度框架中，增强空间复用增益并降低用户间干扰。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有多个同频链路且采用全频谱复用的D2D网络中，如何有效管理干扰？
• RQ2 与标量和向量分数规划相比，矩阵分数规划在多流D2D系统中能多大程度上提升频谱效率？
• RQ3 能否设计一种统一的优化框架，联合处理调度、波束成形、功率控制和灵活的用户配对，从而优于现有最先进方法（如ITLinQ和FlashLinQ）？
• RQ4 多天线传输和任意设备关联对协同D2D调度性能有何影响？
• RQ5 矩阵分数规划与分量最大化（MM）算法之间的理论联系，如何实现非凸D2D网络中高效且稳定的优化？

主要发现

• 在典型D2D网络条件下，FPLinQ在频谱效率方面显著优于FlashLinQ、ITLinQ和ITLinQ+，展现出更优的干扰协调能力。
• 所提出的矩阵分数规划（MFP）框架实现了多数据流下调度、波束成形和功率控制的联合优化，显著提升了系统容量。
• 通过在发射机和接收机均支持多天线，FPLinQ实现了更高的空间复用增益和更强的干扰抑制能力，优于单流方法。
• 通过匹配实现的任意和多重设备关联，提升了系统灵活性，支持更高效的链路配对，从而提高整体吞吐量。
• MFP与MM算法之间的理论联系确保了迭代优化过程的收敛性和稳定性，使该方案适用于实时部署。
• 数值结果证实，FPLinQ在干扰受限的D2D环境中实现了显著的频谱效率增益，验证了其相对于现有方法的优越性。