[论文解读] Energy Efficient Resource Allocation Optimization in Fog Radio Access Networks with Outdated Channel Knowledge

Thi Ha Ly Dinh, Megumi Kaneko+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 39被引用 28

一句话总结

本文提出了一种启发式节能资源分配方案，用于云中心存在信道状态信息（CSI）老化问题的雾无线电接入网络（F-RANs）。通过结合使用全局老化CSI的集中式用户关联/F-AP激活与使用本地完美CSI的分布式波束成形，该方法实现了接近最优的频谱效率——相比总速率优化基线方案，节能效率最高提升2倍，同时将总速率下降控制在约25%以内，并提升了小区边缘用户的公平性。

ABSTRACT

Fog Radio Access Networks (F-RAN) are gaining worldwide interests for enabling mobile edge computing for Beyond 5G. However, to realize the future real-time and delay-sensitive applications, F-RAN tailored radio resource allocation and interference management become necessary. This work investigates user association and beamforming issues for providing energy efficient F-RANs. We formulate the energy efficiency maximization problem, where the F-RAN specific constraint to guarantee local edge processing is explicitly considered. To solve this intricate problem, we design an algorithm based on the Augmented Lagrangian (AL) method. Then, to alleviate the computational complexity, a heuristic low-complexity strategy is developed, where the tasks are split in two parts: one solving for user association and Fog Access Points (F-AP) activation in a centralized manner at the cloud, based on global but outdated user Channel State Information (CSI) to account for fronthaul delays, and the second solving for beamforming in a distributed manner at each active F-AP based on perfect but local CSIs. Simulation results show that the proposed heuristic method achieves an appreciable performance level as compared to the AL-based method, while largely outperforming the energy efficiency of the baseline F-RAN scheme and limiting the sum-rate degradation compared to the optimized sum-rate maximization algorithm.

研究动机与目标

• 解决在云中心存在CSI老化这一现实条件下，F-RAN中节能资源分配的挑战。
• 通过施加F-RAN特有的约束条件（如用户关联与F-AP激活），确保本地边缘处理。
• 相比集中式优化方法，降低计算复杂度，同时保持高性能。
• 提升处于较差信道条件下的用户（尤其是小区边缘用户）的公平性。
• 在非完美CSI条件下，实现节能效率与总速率之间的有利权衡。

提出的方法

• 采用增广拉格朗日（AL）方法作为基线，求解混合整数、非凸的节能效率最大化问题。
• 提出一种启发式两阶段策略：在云中心使用老化全局CSI进行集中式用户关联与F-AP激活。
• 在每个激活的F-AP上使用本地完美CSI实施分布式波束成形，实现实时优化。
• 集成回传链路速率、功率预算和本地处理约束，以满足F-RAN特有的需求。
• 利用本地CSI求解每个F-AP的波束成形子问题，减少回传信令与延迟。
• 在云中心以周期性方式优化用户关联与F-AP激活，考虑由回传延迟引起的CSI老化效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 当云中心仅能获取老化CSI时，如何在F-RAN中实现节能效率的最大化？
• RQ2 在F-RAN中，非完美CSI条件下节能效率与总速率之间的性能权衡如何？
• RQ3 低复杂度启发式方法能否实现接近最优的节能效率，同时优于基线方案？
• RQ4 所提方法如何改善处于较差信道条件下的用户（如小区边缘用户）的公平性？
• RQ5 所提方法在保持高节能效率的同时，能在多大程度上减少激活的F-AP数量？

主要发现

• 所提启发式方法在所有CSI误差水平下，节能效率最高达到基线总速率优化算法的2倍。
• 与总速率优化基线相比，所提方法的总速率下降被限制在约25%以内。
• 最差30%的用户（即小区边缘用户）在完美CSI下可达到最高2.3 Mbps的速率，在高CSI误差下（σ²=1）也可达到1 Mbps，显著优于参考节能方案。
• 在σ²=1条件下，参考节能方案仅能为15%的用户提供超过1 Mbps的速率，而所提方法可为67%的用户提供超过1 Mbps的速率。
• 所提启发式方法中激活的F-AP数量少于参考节能方案，表明其节能效率更高且运营成本更低。
• 即使在高CSI误差方差（σ²=1）条件下，所提方法仍保持高性能，其节能效率比参考节能方案高出33%。