In this paper, we develop a framework to maximize the network energy efficiency (EE) by optimizing joint user-base station~(BS) association,~subchannel assignment, and power control considering an in-band full-duplex (IBFD)-enabled small-cell network. We maximize EE (ratio of network aggregate throughput and power consumption) while guaranteeing a minimum data rate requirement in both the uplink and downlink. The considered problem belongs to the category of mixed-integer non-linear programming problem (MINLP), {\color{black} and thus is NP-hard}. To cope up with this complexity and to derive a trade-off between system throughput and energy utilization, we first restate the considered problem as a multi-objective optimization problem (MOOP) aiming at maximizing system's throughput and minimizing system's energy consumption, simultaneously. This MOOP is then tackled by using $\epsilon$-constraint method. To do so, we first transform the binary subchannel and BS assignment variables into continuous ones without altering the feasible region of the problem and then approximate the non-convex rate functions through majorization-minimization (MM) approach. Simulation results are presented to demonstrate the effectiveness of our proposed algorithm in improving network's EE compared to the existing literature.~Furthermore, simulation results unveil that by employing the IBFD capability in OFDMA networks, our proposed resource allocation algorithm achieves a $69\%$ improvement in the EE as compared to the half-duplex system for practical values of residual self-interference.

中文翻译：

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带内全双工小基站的多目标节能资源分配和用户关联

在本文中，我们开发了一个框架，通过优化联合用户-基站~（BS）关联、~子信道分配和考虑带内全双工（IBFD）启用的功率控制来最大化网络能源效率（EE）小蜂窝网络。我们最大化 EE（网络总吞吐量和功耗的比率），同时保证上行链路和下行链路的最低数据速率要求。所考虑的问题属于混合整数非线性规划问题 (MINLP) 的类别，{\color{black}，因此是 NP-hard}。为了应对这种复杂性并在系统吞吐量和能源利用之间进行权衡，我们首先将所考虑的问题重新表述为多目标优化问题 (MOOP)，旨在同时最大化系统吞吐量和最小化系统能耗。然后使用 $\epsilon$-constraint 方法处理这个 MOOP。为此，我们首先在不改变问题可行区域的情况下将二进制子信道和 BS 分配变量转换为连续变量，然后通过主最小化 (MM) 方法近似非凸率函数。仿真结果证明了我们提出的算法与现有文献相比在提高网络 EE 方面的有效性。~此外，仿真结果表明，通过在 OFDMA 网络中使用 IBFD 能力，我们提出的资源分配算法实现了 $69\%$ 的改进与半双工系统相比，EE 中的残余自干扰实际值。我们首先在不改变问题可行区域的情况下将二进制子信道和 BS 分配变量转换为连续变量，然后通过主最小化 (MM) 方法近似非凸速率函数。仿真结果表明，与现有文献相比，我们提出的算法在提高网络 EE 方面的有效性。~此外，仿真结果表明，通过在 OFDMA 网络中使用 IBFD 能力，我们提出的资源分配算法实现了 69%$ 的改进与半双工系统相比，EE 中的残余自干扰实际值。我们首先在不改变问题可行区域的情况下将二进制子信道和 BS 分配变量转换为连续变量，然后通过主最小化（MM）方法近似非凸率函数。仿真结果表明，与现有文献相比，我们提出的算法在提高网络 EE 方面的有效性。~此外，仿真结果表明，通过在 OFDMA 网络中使用 IBFD 能力，我们提出的资源分配算法实现了 69%$ 的改进与半双工系统相比，EE 中的残余自干扰实际值。