[論文レビュー] Beam-searching and Transmission Scheduling in Millimeter Wave Communications

Hossein Shokri‐Ghadikolaei, Lazaros Gkatzikis+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2015

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 11被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、ミリ波ネットワークにおけるスペクトル効率を最大化するために、ビーム幅選択と送信スケジューリングを統合するフレームワークを提案する。ビームアライメントとスループットのトレードオフに取り組み、干渉をビーム幅依存利得でモデル化し、干渉保護とスペクトル再利用のバランスを取る近似アルゴリズムを用いることで、従来の規格比で最大100%高いスループットを達成しながら、現在のミリ波プロトコルと整合性を保つ。

ABSTRACT

Millimeter wave (mmW) wireless networks are capable to support multi-gigabit data rates, by using directional communications with narrow beams. However, existing mmW communications standards are hindered by two problems: deafness and single link scheduling. The deafness problem, that is, a misalignment between transmitter and receiver beams, demands a time consuming beam-searching operation, which leads to an alignment-throughput tradeoff. Moreover, the existing mmW standards schedule a single link in each time slot and hence do not fully exploit the potential of mmW communications, where directional communications allow multiple concurrent transmissions. These two problems are addressed in this paper, where a joint beamwidth selection and power allocation problem is formulated by an optimization problem for short range mmW networks with the objective of maximizing effective network throughput. This optimization problem allows establishing the fundamental alignment-throughput tradeoff, however it is computationally complex and requires exact knowledge of network topology, which may not be available in practice. Therefore, two standard-compliant approximation solution algorithms are developed, which rely on underestimation and overestimation of interference. The first one exploits directionality to maximize the reuse of available spectrum and thereby increases the network throughput, while imposing almost no computational complexity. The second one is a more conservative approach that protects all active links from harmful interference, yet enhances the network throughput by 100% compared to the existing standards. Extensive performance analysis provides useful insights on the directionality level and the number of concurrent transmissions that should be pursued. Interestingly, extremely narrow beams are in general not optimal.

研究の動機と目的

• 既存の規格における「デッドネス」と単一リンクスケジューリングに起因するミリ波ネットワークにおけるビームアライメントとスループットのトレードオフを解消すること。
• 短距離ミリ波ネットワークにおけるビーム幅選択と送信スケジューリングを統合最適化し、有効なネットワークスループットを最大化すること。
• 完全なネットワークトポロジ情報が得られない状況下でも、計算効率が良くスケーラブルな規格準拠の近似アルゴリズムを開発すること。
• ビーム幅、指向性、並行送信の影響をスペクトル効率と干渉に及ぼす影響を特定すること。
• 実用的なミリ波展開における最適なビーム幅と並行リンク数に関する設計インサイトを提供すること。

提案手法

• 干渉とアライメント制約の下でネットワークスループットを最大化するための、ビーム幅と電力割り当ての統合最適化問題を定式化する。
• 受信ビーム幅（φᵢᵗφᵢʳ）の積を用いて干渉をモデル化し、SINRに及ぼす指向性利得の効果を捉える。
• ビーム幅が狭くアライメントが不十分な場合、誤位相リンクからの干渉が無視できると仮定した簡略化されたスループット近似式を導出する。
• 二つの近似アルゴリズムを提案：一方は干渉を低く見積もってスペクトル再利用を最大化し、他方は干渉を高く見積もって完全な干渉保護を確保する。
• 解析的導出により、スループット関数が単一の最大値を持つことを証明し、効率的な最適化が可能であることを示す。
• ψᵢᵗ = ψᵢʳ = π/2 および z = 0.1 といった現実的なパラメータ下での性能解析を通じて、モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミリ波通信におけるビームアライメントのオーバーヘッドと達成可能なデータレートの根本的トレードオフは何か？
• RQ2 どのようにしてビーム幅選択と並行送信スケジューリングを統合最適化し、ネットワークのスペクトル効率を最大化できるか？
• RQ3 干渉をビーム幅依存利得の積で正確にモデル化できるか？
• RQ4 規格準拠の近似アルゴリズムは、完全なネットワークトポロジ知識がなくても、顕著なスループット向上を達成できるか？
• RQ5 実用的なミリ波環境下で、最適な性能を発揮するビーム幅と並行性レベルは何か？

主な発見

• 最適なビーム幅は極めて狭いわけではない。極端に狭いビームでは、スループットの増加に見合わぬアライメントオーバーヘッドが増加する。
• 干渉を低く見積もる近似アルゴリズムにより、最小限の計算コストでスループットが最大限に向上し、スケジューリング再利用を促進する。
• 干渉を高く見積もる保守的アルゴリズムにより、既存の規格比でスループットが100%向上し、すべてのアクティブリンクが保護される。
• スループット関数は単一の最大値を持つため、与えられた制約下で各リンクに対して一意の最適ビーム幅が存在することが確認された。
• 現実的なパrameters（例：ψᵢᵗ = ψᵢʳ = π/2、z = 0.1）下では、干渉項S₂はS₁に比べて無視できるほど小さく、簡略化されたスループットモデルの妥当性が裏付けられた。
• モデルはビーム幅が干渉レベルに顕著な影響を及ぼすことを確認し、適切に管理されたビーム幅の下では並行送信が実現可能であることを示した。