【文献阅读01】Eco-Vehicular Edge Networks for Connected Transportation: A Distributed Multi-Agent Reinfor

时间 2021-01-21 标签论文解读 V2X 通信

Eco-Vehicular Edge Networks for Connected Transportation: A Distributed Multi-Agent Reinforcement Learning Approach（点击可见原文）

论文要解决的问题

用户中心式的虚拟小区 (VC, virtual cell) 中，考虑V2I通信，在保证可靠性、数据速率、用户公平性的前提下，通过资源分配最大化能效 (EE, energy-efficient) 。

使用分布式多主体强化学习加以解决。

通信场景

用U表示VU (vehicle user, 车辆用户) 的集合，用A表示AP的集合，用B表示边缘服务器的集合。边缘服务器与云端相连，其无线资源有限，用W_l Hz表示。在云端服务器可获得完整的CSI信息，其可以调度AP的波束赋形的权重。

为每个用户规划单独的VC提供服务，VU-AP的连接关系用下式表示

V2I通信模型

考虑多入单出的通信模型，车辆单天线，AP有个天线。

一个time slot内，信道服从 quasi-static flat fading 。

VU 和AP之间的信道表示为： $\mathbf{h}_i(t)=\left[\mathbf{h}_{a_{1}^{i}}^{T}(t), \mathbf{h}_{a_{2}^{i}}^{T}(t), \ldots, \mathbf{h}_{a_{A}^{i}}^{T}(t)\right]^{T}=\mathrm{D}_{i}(t) \rho_{i}(t) \zeta_{i}(t) \in \mathbb{C}^{N \times 1}$

VU 和 AP (多天线) 的信道响应： $\mathbf{h}_{a_{j}^{i}}(t)=\left[h_{i j_{1}}(t), h_{i j_{2}}(t), \ldots, h_{i j_{N}}(t)\right]^{T}$

大尺度衰落、log-Normal 阴影衰落、快衰落： $\mathrm{D}_{i}(t), \rho_{i}(t), \xi _i(t)\sim CN(0, I_N)$

AP 到 VU 的波束赋形权重： $\mathbf{w}_{i}(t) \triangleq\left[\mathbf{w}_{a_{1}^{i}}^{T}(t), \ldots, \mathbf{w}_{a_{A}^{i}}^{T}(t)\right]^{T}\in \mathbb{C}^{N_i\times 1}$

AP a_j传输的信号： $\mathbf{s}_{j}(t)=\sum_{i=1}^{U} \mathbf{w}_{a_{j}^{i}}(t) x_{i}(t)$ ，x为单位能量信号。

下行接收信号： $\begin{aligned} y_{i}(t) &=\sum_{a_{j} \in \mathscr{A}} \mathbf{h}_{a_{j}^{i}}^{H}(t) \mathbf{s}_{j}(t)+\eta_{i}(t) \\ &=\mathbf{h}_{i}^{H}(t) \mathbf{w}_{i}(t) x_{i}(t)+\sum_{u_{i}^{\prime} \in \mathscr{U} \backslash u_{i}} \mathbf{h}_{i}^{H}(t) \mathbf{w}_{i^{\prime}}(t) x_{i^{\prime}}(t)+\eta_{i}(t) \end{aligned}$

用户中心式小区构成

VU的可达速率：

其中 $\left|\mathbf{h}_{i}^{H}(t) \mathbf{w}_{i}(t)\right|^{2} /\left(\sigma^{2}+\sum_{u_{i}^{\prime} \in \mathscr{N} \backslash u_{i}}\left|\mathbf{h}_{i}^{H}(t) \mathbf{w}_{i^{\prime}}(t)\right|^{2}\right) = \gamma_{i}^{\prime}(\mathbf{W}(t))$ 为SINR。

到VU 的下行链路损耗： $\mathrm{C}_{i}(t)=\left\|\left[\left\|\mathbf{w}_{a_{1}^{i}}(t)\right\|_{2}, \ldots,\left\|\mathbf{w}_{a_{A}^{i}}(t)\right\|_{2}\right]\right\|_{0} R_{i}^{t}(\mathbf{W}(t))$

EE计算：

构建联合优化问题：

寻找VU-AP连接关系、波束赋形权重

约束于：7b：确保每个VC内的AP数大于一； 7c：确保SINR大于阈值；7d：总功率有限; 7e：用户连接是bool量。

为便于求解，将AP的传输功率分成 K 个离散数值。

波束赋形向量表示为：

动作空间大小为：

我们使用QL来解决上述优化问题。

解法：强化学习

状态空间为，分别表示VU的位置，AP的位置，链路的CSI。

动作空间：VU-AP链接，波束赋形向量 $a_t = \left\{a_{j}^{i}(t) \forall i \in \mathscr{U}, P_{a_{j}^{i}}(t) \forall i \in \mathscr{U} \quad \& j \in \mathscr{A}\right\}$ 。

奖励函数：

为确保公平性，设置如下限制，由此可保证agent不会选择使任何用户的SINR小于SINR阈值的动作：

SARL（Single Agent Reinforcement Learning）

QL公式如下所示：

在状态和动作空间过大时，SARL很难处理。此外，当环境的状态有限时，通常用某种方法进行近似，但对于每个近似状态，agent仍需要从动作空间中选取合适的动作。为此，使用D-MARL算法改进

Distributed Multi-Agent RL (D-MARL)

通常来讲，MARL通过控制每个agent对于各自的状态选择动作，进而缩小每个agent的动作空间。

对于场景中的N个agent，Q-table的维度变为，动作空间大小变为

此外，使用集中式向量Q存储每个状态的宏观最佳动作：

总体算法如下：

实验设计

如下所示：

文献[14]：“3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Study on LTE-based V2X Services,” 3GPP TR 36.885 V14.0.0, Release 14, Jun. 2016.

场景如下，设置VU并排行驶

通信场景（来自3GPP TR 36.885 V14.0.0, Release 14, Jun. 2016）

对照组设置为：1.遍历所有可能的动作以获取最大reward；2.SARL；3.MARL（作为state of art）；4.功率平均分配；5.随机功率分配。

性能表现如下：

结论：

与两种目前较先进的MARL算法相比，本算法只需要1/4的episode即可达到相似性能
SINR阈值的影响：增大SINR阈值意味着对于agent的要求变大，随着SINR阈值增大，因此各方案的传输成功率均减小，但D-MARL和MARL的差距更加明显，在此实验中4 5方案效果格外差。
覆盖范围的影响：随着小区半径增加，AP可服务更多VU，这将增加单个小区内的用户速率和；此外，用户和AP距离增加说明AP需要发送更大功率以到达边缘的VU，这强迫agent找到最佳功率分配。因此小区范围增加时，D-MARL对应的EE更佳（但没有SARL好）
用户公平性的影响：公平是指AP对于所有用户发以相同的速率发送数据。我们用 ( 9 ) 式表示对于公平性考虑。笨方法的公平性为0。99915，遍历法、SARL、MARL分别为0.99915， 0.99915，0.99899。