A Non-Cooperative Game-Based Distributed Beam Scheduling Framework for 5G Millimeter-Wave Cellular Networks

计算机科学 Lyapunov优化 最优化问题 数学优化 调度(生产过程) 凸优化 纳什均衡 潜在博弈 分布式算法 分布式计算 正多边形 算法 数学 李雅普诺夫方程 人工智能 李雅普诺夫指数 混乱的 几何学
作者
Xiang Zhang,Shamik Sarkar,Arupjyoti Bhuyan,Sneha Kumar Kasera,Mingyue Ji
出处
期刊:IEEE Transactions on Wireless Communications [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:21 (1): 489-504
标识
DOI:10.1109/twc.2021.3097749
摘要

This paper studies the problem of distributed beam scheduling for 5G millimeter-Wave (mm-Wave) cellular networks where base stations (BSs) belonging to different operators share the same spectrum without centralized coordination among them. Our goal is to design efficient distributed scheduling algorithms to maximize the network utility, which is a function of the achieved throughput by the user equipment (UEs), subject to the average and instantaneous power consumption constraints of the BSs. We propose a Media Access Control (MAC) and a power allocation/adaptation mechanism utilizing the Lyapunov stochastic optimization framework and non-cooperative games. In particular, we first decompose the original utility maximization problem into two sub-optimization problems for each time frame, which are a convex optimization problem and a non-convex optimization problem, respectively. By formulating the distributed scheduling problem as a non-cooperative game where each BS is a player attempting to optimize its own utility, we provide a distributed solution to the non-convex sub-optimization problem via finding the Nash Equilibrium (NE) of the game whose weights are determined optimally by the Lyapunov optimization framework. Finally, we conduct simulation under various network settings to show the effectiveness of the proposed game-based beam scheduling algorithm in comparison to that of several reference schemes.
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