[论文解读] Load Balancing for 5G Ultra-Dense Networks using Device-to-Device Communications

Hongliang Zhang, Lingyang Song+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2018

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 28被引用 28

一句话总结

本文提出了一种在5G超密集小细胞网络中基于D2D的负载均衡方案，通过在不额外分配频谱的情况下，将拥塞小细胞的流量卸载至利用率较低的小细胞，实现流量卸载。通过联合优化资源分配与D2D路由，采用单调优化与几何规划方法，与传统方法相比，该方案平均将系统总速率提升20%。

ABSTRACT

Load balancing is an effective approach to address the spatial-temporal fluctuation problem of mobile data traffic for cellular networks. The existing schemes that focus on channel borrowing from neighboring cells cannot be directly applied to future 5G wireless networks, because the neighboring cells will reuse the same spectrum band in 5G systems. In this paper, we consider an orthogonal frequency division multiple access~(OFDMA) ultra-dense small cell network, where Device-to-Device~(D2D) communication is advocated to facilitate load balancing without extra spectrum. Specifically, the data traffic can be effectively offloaded from a congested small cell to other underutilized small cells by D2D communications. The problem is naturally formulated as a joint resource allocation and D2D routing problem that maximizes the system sum-rate. To efficiently solve the problem, we decouple the problem into a resource allocation subproblem and a D2D routing subproblem. The two subproblems are solved iteratively as a monotonic optimization problem and a complementary geometric programming problem, respectively. Simulation results show that the data sum-rate in the neighboring small cells increases 20\% on average by offloading the data traffic in the congested small cell to the neighboring small cell base stations~(SBSs).

研究动机与目标

• 解决5G超密集小细胞网络中的时空流量波动问题。
• 克服传统信道借用方案的局限性，后者因5G网络中的频谱复用而不可行。
• 利用用户设备之间的设备到设备（D2D）通信，实现从拥塞小细胞向邻近利用率较低小细胞的高效流量卸载。
• 通过联合优化资源分配与D2D路由，最大化系统总速率。
• 开发一种可扩展且频谱高效的解决方案，兼容基于OFDMA的5G超密集网络。

提出的方法

• 将负载均衡问题建模为联合资源分配与D2D路由优化问题，以最大化系统总速率。
• 将问题分解为两个子问题：资源分配（通过单调优化求解）与D2D路由（通过互补几何规划求解）。
• 通过迭代求解两个子问题，收敛至近似最优解。
• 采用正交频 division 多址接入（OFDMA）以支持密集小细胞部署中的高谱效率。
• 利用D2D通信实现邻近小区用户设备之间的直接数据卸载，无需依赖基站。
• 通过在服务质量约束下优化功率与子载波分配，实现干扰控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在5G超密集网络中，D2D通信能否有效实现从拥塞小细胞到利用率较低小细胞的流量卸载？
• RQ2 如何联合优化资源分配与D2D路由以最大化系统总速率？
• RQ3 与传统负载均衡方法相比，所提方案在基于OFDMA的超密集网络中的性能增益如何？
• RQ4 基于单调优化与几何规划的迭代求解方法在实际应用中表现如何？
• RQ5 在不额外分配频谱资源的前提下，5G网络中的频谱复用技术在负载均衡中可发挥多大程度的作用？

主要发现

• 所提出的基于D2D的负载均衡方案，平均使邻近小细胞的数据总速率提升20%。
• 结合单调优化与几何规划的迭代求解方法能有效收敛至高质量解。
• D2D通信实现了高效的流量卸载，且无需额外频谱资源。
• 该方案在小细胞间存在显著时空流量波动的场景中尤为有效。
• 联合优化资源分配与D2D路由显著优于传统的基于小区的负载均衡方法。
• 该方法通过避免干扰，在最大化频谱效率的同时保持了系统稳定性和公平性。