[論文レビュー] Delay Estimation and Fast Iterative Scheduling Policies for LTE Uplink

Akash Baid, Madan, Ritesh+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2012

Advanced Wireless Network Optimization参考文献 20被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、LTE上行リンクにおけるバッファ状態報告（BSR）のみを用いた新しい遅延推定メカニズムを提案し、実際のパケット遅延に基づく低複雑性で反復可能なスケジューリングを可能にする。パワーや帯域幅制約を伴う非微分可能で凹型の最適化問題を定式化し、周波数平坦フェージングチャネルでは1反復あたり$O(N\text{log}L)$の複雑性、周波数分散系では$O(N(M^2 + L^2))$の複雑性を達成し、キュー長に基づくスケジューラーよりも顕著に遅延を低減する。

ABSTRACT

We consider the allocation of spectral and power resources to the mobiles (i.e., user equipment (UE)) in a cell every subframe (1 ms) for the Long Term Evolution (LTE) orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) cellular network. To enable scheduling based on packet delays, we design a novel mechanism for inferring the packet delays approximately from the buffer status reports (BSR) transmitted by the UEs; the BSR reports only contain queue length information. We then consider a constrained optimization problem with a concave objective function - schedulers such as those based on utility maximization, maximum weight scheduling, and recent results on iterative scheduling for small queue/delay follow as special cases. In particular, the construction of the non-differentiable objective function based on packet delays is novel. We model constraints on bandwidth, peak transmit power at the UE, and the transmit power spectral density (PSD) at the UE due to fractional power control. When frequency diversity doesn't exist or is not exploited at a fast time-scale, we use subgradient analysis to construct an O(N log L) (per iteration with small number of iterations) algorithm to compute the optimal resource allocation for N users and L points of non-differentiability in the objective function. For a frequency diversity scheduler with M sub-bands, the corre- sponding complexity per iteration is essentially O(N(M^2+L^2)). Unlike previous iterative policies based on delay/queue, in our approach the complexity of scheduling can be reduced when the coherence bandwidth is larger. Through detailed system simulations (based on NGMN and 3GPP evaluation methodology) which model H-ARQ, finite resource grants per sub-frame, deployment, realistic traffic, power limitations, interference, and channel fading, we demonstrate the effectiveness of our schemes for LTE.

研究の動機と目的

• UEがBSRによりバッファサイズのみを報告するという制限があるにもかかわらず、LTE上行リンクにおける遅延に基づくスケジューリングを可能にすること。
• 先頭待ち行列パケットの遅延に基づく凹型報酬関数を最大化する計算効率の良いスケジューリングポリシーを設計すること。
• ピークパワー、分数型パワー制御、SC-FDMAシステムにおける連続リソースブロック（RB）割り当てといった現実的な制約をモデル化すること。
• チャネル相関と部分勾配法を活用してスケジューリングの複雑性を低減すること、特にコherency帯域幅が大きい場合に有効である。
• H-ARQ、干渉、現実的なトラフィックを含む3GPP準拠の包括的シミュレーションを通じて、提案手法の妥当性を検証すること。

提案手法

• キュー長とレートダイナミクスを用いて、BSRレポートから先頭待ち行列パケットの遅延を推定する新しい遅延推定技術を開発する。
• 遅延に基づく非微分可能で凹型のユーティリティ関数を構築し、ユーティリティ最大化、マックスウェイト、反復的遅延認識ポリシーを一般化する。
• 帯域幅、ピークパワー、電力スペクトル密度（PSD）制約を伴う、制約付き凸最適化問題として上行リンクリソース割り当てをモデル化する。
• 部分勾配解析を適用し、周波数平坦フェージングチャネルでは1反復あたり$O(N\text{log}L)$の複雑性を持つアルゴリズムを導出する。
• M個のサブバンドを有する周波数分散系にこの手法を拡張し、1反復あたり$O(N(M^2 + L^2))$の複雑性を達成する。
• 行列逆行列の補題とブロック構造線形システムを用いて、内点法におけるニュートンステップを効率的に解く。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LTE上行リンクにおいて、バッファ状態報告（BSR）のみから先頭待ち行列パケットの遅延を正確に推定できるか？
• RQ2 実用的なパワー制約と帯域幅制約のもとで、非微分可能で凹型の遅延ベース報酬関数を効率的に最適化する方法は何か？
• RQ3 周波数平坦および周波数選択的フェージング下での遅延認識スケジューリングの計算複雑性は何か？また、システムサイズに伴いどのようにスケーリングされるか？
• RQ4 現実的なLTEシステム環境下で、遅延認識スケジューリングはキュー長に基づくスケジューリングよりも遅延低減において優れているか？
• RQ5 提案されたフレームワークは、実用的なLTE展開における連続RB割り当てとH-ARQ再送信をサポートできるか？

主な発見

• 提案されたBSRベースの遅延推定メカニズムは、低オーバーヘッドで正確な遅延推定を可能にし、明示的な遅延フィードバックの必要性を排除する。
• 3GPP準拠のシミュレーションにおいて、キュー長に基づくスケジューラーよりも顕著に平均遅延とオーバーサイド遅延が低減された遅延認識スケジューリングポリシーを達成した。
• 周波数平坦フェージングでは、1反復あたり$O(N\text{log}L)$の複雑性を達成し、多数のユーザーが存在する場合でも高速収束を実現した。
• M個のサブバンドを有する周波数選択的フェージングでは、複雑性が$O(N(M^2 + L^2))$にスケーリングされ、MとLがNに対して小さい場合には効率的である。
• ピークパワー、分数型パワー制御、連続RB割り当てといった実用的制約をサポートするため、実際のLTEシステムへの導入が可能である。
• 数値的結果は、特に高負荷状態下で、既存の反復的ポリシーと比較して本手法がより効果的に遅延を低減することを確認した。