[論文レビュー] Hybrid Scheduling in Heterogeneous Half- and Full-Duplex Wireless Networks

Tingjun Chen, Jelena Diakonikolas+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2018

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 28被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、アクセスポイントで集中型グリーディ最大スケジューリング（GMS）を、ユーザー側で分散型キューに基づくランダムアクセスを組み合わせることで、非均質な半二重（HD）および全二重（FD）無線ネットワーク向けに分散スケジューリングアルゴリズム「Hybrid-GMS（H-GMS）」を提案する。H-GMSはスループット最適性を達成するとともに、古典的なQ-CSMAと比較して遅延と公平性を著しく改善し、最適な重み関数を用いることで、高負荷下で平均キュー長を最大79.2倍短縮する。

ABSTRACT

Full-duplex (FD) wireless is an attractive communication paradigm with high potential for improving network capacity and reducing delay in wireless networks. Despite significant progress on the physical layer development, the challenges associated with developing medium access control (MAC) protocols for heterogeneous networks composed of both legacy half-duplex (HD) and emerging FD devices have not been fully addressed. Therefore, we focus on the design and performance evaluation of scheduling algorithms for infrastructure-based heterogeneous HD-FD networks (composed of HD and FD users). We first show that centralized Greedy Maximal Scheduling (GMS) is throughput-optimal in heterogeneous HD-FD networks. We propose the Hybrid-GMS (H-GMS) algorithm, a distributed implementation of GMS that combines GMS and a queue-based random-access mechanism. We prove that H-GMS is throughput-optimal. Moreover, we analyze the delay performance of H-GMS by deriving lower bounds on the average queue length. We further demonstrate the benefits of upgrading HD nodes to FD nodes in terms of throughput gains for individual nodes and the whole network. Finally, we evaluate the performance of H-GMS and its variants in terms of throughput, delay, and fairness between FD and HD users via extensive simulations. We show that in heterogeneous HD-FD networks, H-GMS achieves 16-30x better delay performance and improves fairness between HD and FD users by up to 50% compared with the fully decentralized Q-CSMA algorithm.

研究の動機と目的

• 従来の半二重（HD）と新興の全二重（FD）デバイスを併用する非均質ネットワークにおけるメディアアクセス制御（MAC）プロトコルの設計課題に対処すること。
• スループット最適性を維持しながら、HD-FDネットワークにおける遅延と公平性を向上させる分散スケジューリングアルゴリズムを開発すること。
• HDノードをFDノードにアップグレードすることによるネットワーク容量とユーザーの公平性の向上を評価すること。
• 集中型GMSと分散型ランダムアクセスを組み合わせることで、完全分散型のQ-CSMAと比較して優れた遅延性能を達成できることを示すこと。

提案手法

• アクセスポイント（AP）で集中型GMSを用いてダウンリンクキューを解決し、ユーザー側で分散型競合制御を用いてアップリンクアクセスを実現する、分散型アルゴリズムであるHybrid-GMS（H-GMS）を提案する。
• フラッドリミット解析を用いて、H-GMSがMWS（最大重みスケジューリング）とは等価でないものの、フラッドリミットにおいてGMSを近似できることを示し、H-GMSがスループット最適であることを証明する。
• 送信確率を p_l(t) = exp(f(Q_l(t))) / (1 + exp(f(Q_l(t)))) と定義する重み関数 f(x) の族を導入し、攻撃性と遅延性能を制御する。
• H-GMSのバリエーション（例：H-GMS-E）を、中央集権の度合いを変えて設計し、公平性と効率性のトレードオフを調査する。
• H-GMSの遅延性能を解析的に評価するための平均キュー長の下界を導出する。
• さまざまなトラフィック負荷、重み関数、ネットワーク構成において、H-GMSとQ-CSMAを比較する広範なシミュレーションを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 集中型GMSと分散型ランダムアクセスを組み合わせたハイブリッドスケジューリングアプローチは、非均質なHD-FDネットワークにおいてスループット最適性を達成できるか？
• RQ2 特に高負荷下において、H-GMSの遅延性能は古典的なQ-CSMAと比べてどの程度優れているか？
• RQ3 異なる重み関数 f(x) がH-GMSの遅延と公平性に与える影響は何か？
• RQ4 FDユーザーの数がHD-FDネットワークにおける公平性とスループットの向上に与える影響は何か？
• RQ5 Q-CSMAと比較して、H-GMSはHDユーザーとFDユーザー間の公平性をどの程度向上させられるか？

主な発見

• H-GMSは、MWSとは等価でないものの、フラッドリミットにおいてGMSを近似することで、非均質なHD-FDネットワークでスループット最適性を達成する。
• 線形重み関数 f(x)=x を用いる高負荷下（ρ=0.98）では、H-GMSはQ-CSMAと比較して平均キュー長を最大79.2倍短縮する。
• 対数的重み関数 f(x)=½log(1+x) を用いる場合でも、中程度の負荷（ρ=0.8）では1.2倍の遅延改善が得られ、高負荷下では最大52.8倍の改善が達成される。
• H-GMSはQ-CSMAと比較して、HDユーザーとFDユーザー間の公平性を最大50％まで向上させ、H-GMS-EはFDユーザー数に依存せずに最良の公平性を達成する。
• 重み関数の攻撃性が高くなるほど、H-GMSのQ-CSMAに対する遅延改善は大きくなり、f(x)=√x や f(x)=x のような非線形および線形関数は、対数関数よりも10–20倍の優れた遅延性能を示す。
• 性能向上は特に高負荷下で顕著であり、f(x)=x を用いるH-GMSは、ρ=0.98の状態でQ-CSMAと比較して平均キュー長を9.8倍短縮する。