[论文解读] Joint In-Band Backhauling and Interference Mitigation in 5G Heterogeneous Networks

Trung Kien Vu, Mehdi Bennis+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 13被引用 22

一句话总结

该论文提出了一种在大规模MIMO宏小区与自回传小小区的5G异构网络（HetNets）中联合实现带内回传与干扰抑制的框架。通过利用随机矩阵理论与随机优化，该框架在28 GHz频段、用户设备（UE）密度为200 UE/km²的条件下，实现了平均1.7 Gbps的用户设备（UE）吞吐量与1 Gbps的边缘用户吞吐量，相较于2.4 GHz频段在超密集部署中实现了62倍的增益。

ABSTRACT

In this paper, we study the problem of joint inband backhauling and interference mitigation in 5G heterogeneous networks (HetNets) in which a massive multiple-input multipleoutput (MIMO) macro cell base station equipped with a large number of antennas, overlaid with self-backhauled small cells is assumed. This problem is cast as a network utility maximization subject to wireless backhaul constraints. Due to the non-tractability of the problem, we first resort to random matrix theory to get a closed-form expression of the achievable rate and transmit power in the asymptotic regime, i.e., as the number of antennas and users grows large. Subsequently, leveraging the framework of stochastic optimization, the problem is decoupled into dynamic scheduling of macro cell users and backhaul provisioning of small cells as a function of interference and backhaul links. Via simulations, we evaluate the performance gains of our proposed framework under different network architectures and low/high frequency bands. Our proposed HetNet method achieves the achievable average UE throughput of 1.7 Gbps as well as ensures 1 Gbps cell-edge UE throughput when serving 200 UEs per km2 at 28 GHz with 1 GHz bandwidth. In ultra-dense network, the UE throughput at 28 GHz achieves 62x gain as compared to 2.4 GHz.

研究动机与目标

• 为解决在带内无线回传与干扰存在条件下，5G HetNets中网络性能的动态优化挑战。
• 在无线回传约束变化的条件下，联合调度宏小区用户并为小小区分配回传容量。
• 在大规模MIMO增强的HetNets中，最大化网络效用，同时确保系统稳定并最小化干扰。
• 评估在低频与高频段的超密集毫米波部署中性能增益。
• 利用李雅普诺夫优化建立理论效用-队列积压权衡关系。

提出的方法

• 将问题建模为带有无线回传与稳定性约束的网络效用最大化（NUM）问题。
• 应用随机矩阵理论（RMT）推导大规模天线阵列下正弦信噪比（SINR）的闭式确定性等价表达式。
• 采用李雅普诺夫优化框架，将联合问题分解为动态调度与回传分配子问题。
• 使用连续凸逼近（SCA）求解所得的混合整数非凸优化问题。
• 利用斯蒂尔杰斯变换与矩阵迹近似，推导宏小区与小小区用户SINR表达式的确定性等价形式。
• 引入一种动态工作模式，通过波束成形设计控制相邻小小区之间的干扰。

实验结果

研究问题

• RQ1 在基于大规模MIMO的5G HetNets中，如何联合优化带内回传与干扰抑制？
• RQ2 在超密集HetNets中部署毫米波频段（如28 GHz）时，可实现的频谱效率与吞吐量增益是多少？
• RQ3 李雅普诺夫参数ν如何影响动态调度中网络效用与队列积压之间的权衡？
• RQ4 在28 GHz与2.4 GHz频段对比下，平均与边缘用户吞吐量的性能增益如何？
• RQ5 天线数量与用户密度对所提框架的可行性与性能有何影响？

主要发现

• 在28 GHz频段、带宽1 GHz、用户设备密度200 UEs/km²条件下，所提HetNet实现平均用户设备（UE）吞吐量1.7 Gbps，边缘用户吞吐量1 Gbps。
• 在超密集部署中，当小区间距（ISD）为80 m时，28 GHz频段的用户设备吞吐量相比2.4 GHz频段提升62倍，主要得益于更宽的带宽与波束成形增益。
• 当ISD为250 m时，28 GHz频段的吞吐量相比2.4 GHz频段提升56倍，其中50倍来自更大的带宽，其余来自波束成形增益。
• 当ISD低于50 m时，网络队列大小显著增加，表明出现拥塞，需调整功率或准入控制策略。
• 该框架表现出[O(1/ν), O(ν)]的效用-队列积压权衡特性，验证了理论上的效用-延迟权衡关系，且随着ν增大而增强。
• 在ISD为33 m的超密集28 GHz部署中，该方法实现每用户设备473 Mbps的吞吐量，而2.4 GHz频段在相同条件下吞吐量低于10 Mbps。