[论文解读] Joint user association and power allocation in ultra-dense mmWave networks: a multi-connectivity approach

Ailing Chen, Shengchang Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2022

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用 5

一句话总结

本文提出了一种在超密集毫米波网络中利用多连接性实现用户关联与功率分配联合优化的方案，以提升下行链路速率的可靠性。通过松弛和加权和标量化，将非凸混合整数问题转化为差-凸规划（DC program），并设计了一种迭代算法，与传统方法相比，显著提升了各用户的数据速率。

ABSTRACT

In ultra-dense millimeter wave (mmWave) networks, mmWave signals suffer from severe path losses and are easily blocked by obstacles. Meanwhile, ultra-dense deployment causes excessive handovers, which reduces the data link reliability. To alleviate the above issues, the novel technology, known as multi-connectivity enabled user association (MCUA) is incorporated in this letter. We aim to jointly optimize MCUAs and downlink (DL) power allocations (PAs) to maximize the DL rate of each user simultaneously, rather than total. This is a non-convex nonlinear 0-1 mixed integer multi-objective optimization problem and quite complicated. To solve it, we first use the weighted sum method to scalarize it as a single-objective optimization problem (SOOP), and then relax the binary association variables to real ones. Considering that the relaxed SOOP is still non-convex, we perform a series of transformations upon it and make it a differential of convex programming. Finally, we develop an iterative algorithm based on the convex-concave procedure to solve the SOOP. Numerical results are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed algorithms.

研究动机与目标

• 解决超密集网络中毫米波信号存在的严重路径损耗和链路阻塞问题。
• 缓解因密集部署导致的过度切换和链路不可靠性问题。
• 通过联合优化最大化每个用户的下行链路速率，而非仅总速率。
• 设计一种可实用的算法，以求解复杂的非凸、混合整数、多目标优化问题。

提出的方法

• 将联合用户关联与功率分配建模为非凸、非线性、0-1混合整数多目标优化问题。
• 应用加权和方法，将多目标问题标量化为单目标优化问题（SOOP）。
• 将二元用户关联变量松弛为连续实数变量，以简化问题结构。
• 通过数学重构，将松弛后的SOOP转化为差-凸（DC）规划问题。
• 基于凹-凸逼近法（CCCP）设计一种迭代算法，以求解DC规划问题。
• 迭代更新用户关联与功率分配，直至收敛至局部最优解。

实验结果

研究问题

• RQ1 多连接性如何改善超密集毫米波网络中的用户关联与功率分配？
• RQ2 如何联合优化用户关联与下行链路功率分配以最大化各用户数据速率？
• RQ3 能否有效将毫米波网络中的非凸混合整数问题转化为可处理的DC规划问题？
• RQ4 所提算法在用户数据速率与系统可靠性方面相较于传统方案有何表现？
• RQ5 松弛与迭代优化对用户关联与功率分配性能有何影响？

主要发现

• 所提算法相比传统单连接方案，在各用户下行链路速率方面实现了显著提升。
• 采用多连接性有效降低了毫米波链路中阻塞与深度衰落的负面影响。
• 迭代的凸-凹逼近过程收敛至稳定解，展现出在复杂网络场景下的鲁棒性。
• 二元变量的松弛处理在保持接近原始整数解性能的同时，实现了高效计算。
• 数值结果表明，用户关联与功率分配的联合优化在速率公平性与可靠性方面优于基准方法。