[论文解读] Resource Allocation in Dynamic TDD Heterogeneous Networks under Mixed Traffic

Qiang Fan, Hancheng Lu+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 21被引用 3

一句话总结

本文提出了一种基于低功耗几乎空白子帧（LP-ABS）的资源分配方案，用于在混合业务场景下动态TDD异构网络中的资源分配，结合基站（BS）的网络容量最大化与用户设备（UE）的网络效用最大化。该方法通过减少宏小区到小小区的干扰，在保持对波动业务需求的灵活性的同时，提升了频谱效率和QoS满足度，其吞吐量与服务速率可靠性优于现有机制。

ABSTRACT

Recently, Dynamic Time Division Duplex (TDD) has been proposed to handle the asymmetry of traffic demand between DownLink (DL) and UpLink (UL) in Heterogeneous Networks (HetNets). However, for mixed traffic consisting of best effort traffic and soft Quality of Service (QoS) traffic, the resource allocation problem has not been adequately studied in Dynamic TDD HetNets. In this paper, we focus on such problem in a two-tier HetNet with co-channel deployment of one Macro cell Base Station (MBS) and multiple Small cell Base Stations (SBSs) in hotspots. Different from existing work, we introduce low power almost blank subframes to alleviate MBS-to-SBS interference which is inherent in TDD operation. To tackle the resource allocation problem, we propose a two-step strategy. First, from the view point of base stations, we propose a transmission protocol and perform time resource allocation by formulating and solving a network capacity maximization problem under DL/UL traffic demands. Second, from the view point of User Equipments (UEs), we formulate their resource allocation as a Network Utility Maximization (NUM) problem. An efficient iterative algorithm is proposed to solve the NUM problem. Simulations show the advantage of the proposed algorithm in terms of network throughput and UE QoS satisfaction level.

研究动机与目标

• 解决动态TDD异构网络中下行与上行链路业务需求不对称且时变带来的挑战。
• 缓解共信道部署中因高功率宏小区传输导致的严重MBS到SBS干扰。
• 提升小小区在高业务波动情况下的频谱效率与系统灵活性。
• 在统一的资源分配框架下，确保软QoS业务的QoS满足度，同时支持尽力而为（best-effort）业务。
• 设计一种双层资源分配策略，联合优化基站与用户设备的资源使用。

提出的方法

• 在宏基站（MBS）引入低功耗几乎空白子帧（LP-ABS），以降低下行链路发射功率，而非完全空白子帧，从而最小化对小小区上行链路传输的干扰。
• 将基站级资源分配建模为网络容量最大化问题，根据业务需求将每帧划分为正常下行/上行时隙与LP-ABS时隙。
• 将用户设备级资源分配建模为网络效用最大化（NUM）问题，以平衡各UE的吞吐量与QoS满足度。
• 提出一种高效的迭代算法求解NUM问题，实现在UE级的分布式与可扩展资源分配。
• 在MBS实施功率控制，并在SBS上动态配置子帧，以适应小小区中下行/上行链路业务的波动。
• 采用两步策略：首先在BS端优化网络容量，然后在UE端最大化用户效用，确保干扰抑制与公平性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有混合业务的动态TDD异构网络中，如何有效缓解MBS到SBS的干扰？
• RQ2 与传统ABS或eICIC机制相比，LP-ABS在提升频谱效率方面能实现多大程度的改进？
• RQ3 所提出的两步资源分配策略在多大程度上平衡了混合业务类型下的吞吐量与QoS满足度？
• RQ4 在所提方案下，业务负载与速率需求对软QoS流性能有何影响？
• RQ5 在不同网络负载与业务不对称性条件下，所提机制如何保持性能稳定？

主要发现

• 所提出的LP-ABS机制在所有网络负载条件下，其下行链路吞吐量均优于eICIC、同步与UM-ABS机制。
• 在上行链路方向，所提机制性能与eICIC和同步方案相当，显著优于UM-ABS，因其有效降低了交叉链路干扰。
• 对于软QoS业务，只要所需速率在系统资源预算范围内，速率违反概率始终接近零，即使在负载增加时亦然。
• 当软QoS业务所需速率从0.2 Mbps提升至1 Mbps时，尽力而为业务的平均吞吐量下降缓慢，尤其在上行方向表现更优。
• UM-ABS机制在两个方向上表现最差，原因在于缺乏上行子帧分配，且SBS对MBS造成严重干扰。
• 所提方案通过优先保障软QoS业务，并借助LP-ABS与动态配置高效利用频谱资源，从而在保持高QoS满足度与吞吐量方面表现优异。