[论文解读] Downlink Energy Efficiency of Power Allocation and Wireless Backhaul Bandwidth Allocation in Heterogeneous Small Cell Networks

Haijun Zhang, Hao Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2017

Advanced MIMO Systems OptimizationEngineering参考文献 20被引用 16

一句话总结

本文提出了一种在OFDMA异构小细胞网络中联合节能功率与无线回传带宽分配的方案，旨在最大化频谱效率和能量效率。通过建立一个非凸优化问题并将其分解为凸子问题，作者设计了一种迭代算法和一种低复杂度次优方法，在保持服务质量（QoS）约束的前提下显著提升了能量效率。

ABSTRACT

The widespread application of wireless services and dense devices access have triggered huge energy consumption. Because of the environmental and financial considerations, energy-efficient design in wireless networks becomes an inevitable trend. To the best of the authors' knowledge, energy-efficient orthogonal frequency division multiple access heterogeneous small cell optimization comprehensively considering energy efficiency maximization, power allocation, wireless backhaul bandwidth allocation, and user Quality of Service is a novel approach and research direction, and it has not been investigated. In this paper, we study the energy-efficient power allocation and wireless backhaul bandwidth allocation in orthogonal frequency division multiple access heterogeneous small cell networks. Different from the existing resource allocation schemes that maximize the throughput, the studied scheme maximizes energy efficiency by allocating both transmit power of each small cell base station to users and bandwidth for backhauling, according to the channel state information and the circuit power consumption. The problem is first formulated as a non-convex nonlinear programming problem and then it is decomposed into two convex subproblems. A near optimal iterative resource allocation algorithm is designed to solve the resource allocation problem. A suboptimal low-complexity approach is also developed by exploring the inherent structure and property of the energy-efficient design. Simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed algorithms by comparing with the existing schemes.

研究动机与目标

• 为应对由于数据流量和设备密度增加而导致密集无线网络中能耗持续增长的问题。
• 在OFDMA异构小细胞网络中联合优化下行链路功率分配与无线回传带宽分配。
• 在满足用户服务质量（QoS）要求和电路功率约束的前提下，最大化能量效率。
• 为实际部署开发近似最优与低复杂度的算法。

提出的方法

• 将能量效率最大化问题建模为一个非凸非线性规划问题，考虑了发射功率、回传带宽、信道状态信息和电路功率等因素。
• 将原始问题分解为两个凸子问题：一个用于功率分配，另一个用于回传带宽分配。
• 通过求解严格拟凹效用函数，推导出每个用户的最优功率分配，该函数被证明具有唯一最大值。
• 利用Karush-Kuhn-Tucker（KKT）条件和L’Hôpital法则分析最优功率解的存在性与唯一性。
• 设计了一种迭代资源分配算法，通过交替优化功率与带宽实现，且保证收敛。
• 通过利用能量效率函数的结构特性，提出了一种子最优低复杂度算法。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过联合功率与回传带宽分配，在异构小细胞网络中实现能量效率的最大化？
• RQ2 在电路功率和QoS约束下，每个用户的最优功率分配策略是什么，能够使能量效率达到最大？
• RQ3 非凸优化问题能否被有效分解为凸子问题以实现可处理的求解？
• RQ4 无线回传带宽分配对整体系统能量效率有何影响？
• RQ5 所提出的算法在性能与复杂度方面与现有方案相比如何？

主要发现

• 所提出的迭代算法通过联合优化功率与回传带宽分配，实现了接近最优的能量效率。
• 每个用户的最优功率分配是唯一的，且对应于一个严格拟凹能量效率函数的峰值。
• 最优功率解存在且可解析推导，其效用函数的导数仅改变一次符号。
• 效用函数的极限行为表明，随着发射功率的增加，能量效率先上升后下降，证实了最大值的存在。
• 次优低复杂度算法在显著降低计算成本的同时，实现了与迭代方法相当的性能。
• 仿真结果表明，所提出的方案在能量效率和频谱效率方面均优于现有资源分配方法。