[论文解读] Joint Load Balancing and Interference Mitigation in 5G Heterogeneous Networks

Trung Kien Vu, Mehdi Bennis+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2016

Full-Duplex Wireless Communications被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种用于5G异构网络中联合负载均衡与干扰抑制的随机优化框架，适用于大规模MIMO宏基站与全双工、自回传的小基站。通过动态调度宏基站用户、分配小基站回传资源并根据干扰和回传容量约束进行用户卸载，该框架在每平方公里350个小基站的超密集网络中，相较于闭接入小基站，实现了5.6倍的边缘用户性能增益。

ABSTRACT

We study the problem of joint load balancing and interference mitigation in heterogeneous networks (HetNets) in which massive multiple-input multiple-output (MIMO) macro cell base station (BS) equipped with a large number of antennas, overlaid with wireless self-backhauled small cells (SCs) are assumed. Self-backhauled SC BSs with full-duplex communication employing regular antenna arrays serve both macro users and SC users by using the wireless backhaul from macro BS in the same frequency band. We formulate the joint load balancing and interference mitigation problem as a network utility maximization subject to wireless backhaul constraints. Subsequently, leveraging the framework of stochastic optimization, the problem is decoupled into dynamic scheduling of macro cell users, backhaul provisioning of SCs, and offloading macro cell users to SCs as a function of interference and backhaul links. Via numerical results, we show the performance gains of our proposed framework under the impact of small cells density, number of base station antennas, and transmit power levels at low and high frequency bands. We further provide insights into the performance analysis and convergence of the proposed framework. The numerical results show that the proposed user association algorithm outperforms other baselines. Interestingly, we find that even at lower frequency band the performance of open access small cell is close to that of closed access at some operating points, the open access full- duplex small cell still yields higher gain as compared to the closed access at higher frequency bands. With increasing the small cell density or the wireless backhaul quality, the open access full- duplex small cells outperform and achieve a 5.6x gain in terms of cell-edge performance as compared to the closed access ones in ultra-dense networks with 350 small cell base stations per km2 .

研究动机与目标

• 解决大规模MIMO宏基站与自回传小基站共存的5G异构网络（HetNets）中的干扰与负载不均衡挑战。
• 在全双工小基站部署中，优化用户关联与资源分配，考虑无线回传容量约束。
• 通过联合管理宏基站用户调度、小基站回传资源分配与用户卸载决策，最大化网络效用。
• 评估在不同网络密集化程度与频段下，开放接入与闭接入小基站架构的性能增益。

提出的方法

• 将联合负载均衡与干扰抑制问题建模为带无线回传约束的网络效用最大化（NUM）问题。
• 将随机优化问题分解为三个子问题：动态宏基站用户调度、小基站回传资源分配与用户卸载决策。
• 利用李雅普诺夫优化框架，实现分布式、实时求解。
• 建模全双工小基站基站，其上行与下行链路使用相同频段，通过干扰感知调度与宏基站用户共享频谱。
• 在优化中引入回传容量约束，以确保小基站用户的数据速率可行。
• 采用时隙化方法，根据瞬时信道状态与回传质量动态调整用户关联与波束成形。

实验结果

研究问题

• RQ1 与基准方案相比，所提出的框架在提升边缘用户吞吐量方面表现如何？
• RQ2 小基站密度与回传质量对开放接入全双工小基站性能增益的影响是什么？
• RQ3 在低频与高频段下，开放接入小基站的性能与闭接入小基站相比如何？
• RQ4 所提出的用户关联算法在超密集HetNets中对频谱效率与公平性的提升程度如何？
• RQ5 在不同网络条件下，所提出的随机优化框架的收敛性与稳定性特征如何？

主要发现

• 所提出的用户关联算法在每平方公里部署350个小型基站的超密集网络中，相较于闭接入小基站，实现了5.6倍的边缘用户性能增益。
• 即使在较低频段，开放接入全双工小基站也能在某些工作点实现接近闭接入小基站的性能。
• 在高频段，由于更优的干扰管理与频谱复用能力，开放接入全双工小基站始终优于闭接入小基站。
• 性能增益随小基站密度提升与无线回传质量改善而增加，表明在超密集部署中具备良好的可扩展性。
• 该框架能够稳定收敛，并通过根据实时干扰与回传条件动态调整用户卸载与调度策略，实现高网络效用。
• 小基站中采用全双工通信可提升频谱效率，支持每小区更多用户，尤其在高流量场景下优势显著。