[論文レビュー] Coalition Game based Full-duplex Concurrent Scheduling in Millimeter Wave Wireless Backhaul Network

Haiyan Jiang, Yong Niu+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2019

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 18被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、ミリ波無線バックホールネットワークにおけるQoS要件を満たすフロー数を最大化することを目的として、協力ゲームに基づく全二重同時スケジューリングアルゴリズム（FDCG）を提案する。同時スケジューリングを協力ゲームとしてモデル化し、1時間スロットあたりの合計スループットを最大化することで、FDCGはTDMA、SFD、STDMAを上回り、特に中程度の自己干渉キャンセレーションおよびマルチユーザー干渉レベル下で優れた性能を示す。

ABSTRACT

With the development of self-interference (SI) cancelation technology, full-duplex (FD) communication becomes possible. FD communication can theoretically double the spectral efficiency. When the time slot (TS) resources are limited and the number of flows is large, the scheduling mechanism of the flows becomes more important. Therefore, the effectiveness of FD scheduling mechanism for the flows is studied in millimeter wave wireless backhaul network with the limited TS resources. We proposed a full duplex concurrent scheduling algorithm based on coalition game (FDCG) to maximize the number of flows with their QoS requirements satisfied. We transformed the problem of maximizing the number of flows with their QoS requirements satisfied into the problem of maximizing sum rate of concurrently scheduled flows in each slot. We obtained the scheduled flows with maximum sum rate in first slot by using coalition game.And then with certain restrictions, the maximum sum rate of concurrently scheduled flows can also be achieved in subsequent time slots. The simulation results show that the proposed FDCG algorithm can achieve superior performance in terms of the number of flows that meet their QoS requirements and system throughput compared with other three algorithms.

研究の動機と目的

• 時間制約のあるミリ波無線バックホールネットワークにおいて、QoS要件を満たすフロー数を最大化する課題に対処すること。
• QoSやシステムスループットを最適化しない、従来の半二重モードおよびグリーディー全二重スケジューリング方式の限界を克服すること。
• 自己干渉キャンセレーションを活用した全二重通信により、ミリ波バックホールでスペクトル効率を2倍にすること。
• QoS制約を尊重しながら、1時間スロットあたりの合計スループットを最大化するように、同時にスケジュール可能なフローユニットを動的に選択するスケジューリングメカニズムを開発すること。
• 密度の高いミリ波小セルバックホール環境におけるリソース利用効率とシステム容量の向上を図ること。

提案手法

• フローが協力するグループを形成することで、同時にスケジュールされる送信の合計スループットを最大化する協力ゲームとして、同時スケジューリング問題を定式化する。
• 協力形成アルゴリズムを用いて、各時間スロットで安定的かつ高スループットなフローセットを特定し、どのフローも他の協力グループに移行することで自身のスループットを向上させられないように保証する。
• 完了フロー数の最大化という目的を、1時間スロットあたりの合計スループットの最大化に変換し、全二重運用によりスペクトル効率を2倍にする。
• 残余自己干渉（RSI）およびマルチユーザー干渉（MUI）に対する制約を適用し、現実的な全二重状態をモデル化する。
• 各時間スロットで合計スループットが最大の協力グループを繰り返しスケジューリングし、完了したフローを削除し、利用可能なフロー集合を更新する。
• ヒューリスティック手法と比較して、より良好な長期的フロー完了とスループットを実現するため、グリーディー選択を回避するゲーム理論的アプローチを採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミリ波バックホールネットワークにおいて、全二重通信をどのように効果的に活用することで、システムスループットとフロー完了レートを向上させられるか？
• RQ2 協力ゲームに基づくスケジューリングアプローチは、QoSに配慮したフロー完了および合計スループットの観点で、グリーディーまたは半二重スケジューリングに比べてどの程度優れているか？
• RQ3 残余自己干渉（RSI）およびマルチユーザー干渉（MUI）は、全二重スケジューリングアルゴリズムの性能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 時間制約のあるミリ波バックホールネットワークにおいて、高レートフローをスケジューリングする際、スケジューリング効率とQoS要件の間にはどのようなトレードオフが生じるか？
• RQ5 ゲーム理論的アプローチは、STDMA、SFD、TDMAといった既存のアルゴリズムと比較して、全二重ミリ波バックホールでより優れたリソース利用効率を達成できるか？

主な発見

• MUI要因が0.05の場合、FDCGはSTDMAに比べて完了フロー数が61.53%高い。
• QoS要件が4 Gbpsのとき、FDCGはSFD、STDMA、TDMAよりも高い完了フロー数を維持し、高レート要件下でも安定性を示す。
• FDCG下でのシステムスループットは、QoS要件の増加に伴っても約30 Gbpsで安定しており、高い要件下でも性能劣化が最小限であることが示された。
• 750～1500時間スロットの範囲で、FDCGはフロー完了およびシステムスループットの両面でSFDおよびSTDMAを上回り、合計スループットの増加幅が最大であった。
• 高レベルの残余自己干渉（β > 10⁴）では性能が低下するが、FDCGはSFDを上回り、STDMAとの性能差もβが10⁵に達するまで維持された。
• 1500時間スロットを超えると収益の逓減が顕著となり、最適でない協力グループ形成のため、スループットの向上が減少することが示された。