[論文レビュー] Integrated Access and Backhaul Optimization for Millimeter Wave Heterogeneous Networks

Yilin Li, Jian Luo+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2019

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 27被引用数 17

ひとこと要約

本稿では、方向性ビームフォーミングを活用して空間的再利用とデータレートを最大化する、ミリ波ハイブリッドネットワークにおける統合アクセスおよびバックホール（IAB）を備えた共同スケジューリングおよびリソース割り当てアルゴリズムに加え、動的ルーティング方式を提案する。この手法は、低い遅延で理論的最適に近い性能を達成し、柔軟な上行／下行スロット割り当てをサポートするとともに、ポイントツーポoinおよびポイントツーマルチポイント通信における半二重および全二重動作を向上させる。

ABSTRACT

By allowing a large number of links to be simultaneously transmitted, directional antenna arrays with beamforming have been envisioned as a promising candidate to reach unprecedented levels of spatial isolation. To achieve the high efficiency of spatial reuse in improving system performance, an optimization problem that maximizes the achievable data rate of a multihop heterogeneous network, which incorporates the concept of integrated access and backhaul and supports both downlink and uplink transmissions on access and backhaul links, is formulated. The optimization problem is then systematically decomposed and demonstrated as NP-hard, and a heuristic joint scheduling and resource allocation algorithm is proposed to maximize the achievable data rate. In addition, an efficient dynamic routing algorithm is proposed to further enhance the data rate. With extensive system-level simulations, it is demonstrated that the proposed algorithms achieve significant gain over benchmark schemes, in terms of data rate, and closely approach the theoretical optimum, yet with lower latency. Besides, the proposed algorithms enable a flexible adjustment of downlink and uplink transmission duration allocation and support both half- and full-duplex modes with considerable performance enhancement. In particular, the proposed algorithms are capable of fulfilling different performance requirements for both point-to-point and point-to-multipoint communications.

研究の動機と目的

• ミリ波ハイブリッドネットワークにおけるデータレート最大化の課題に取り組む。ここではバックホールリンクが無線であり、遮蔽およびパスロスの影響を受ける。
• 方向性ビームフォーミングと干渉制約を考慮した、マルチホップmmWaveネットワークにおける空間的再利用の最適化を、送信の共同スケジューリングとリソース割り当てを統合して行う。
• リアルタイムのネットワーク負荷およびトラフィックに適応する動的ルーティングアルゴリズムを設計し、さらなるデータレート向上を実現する。
• さまざまな通信シナリオに対応するため、柔軟な下行／上行スロット割り当ておよび半二重および全二重動作をサポートする。

提案手法

• マルチホップmmWave IABハイブリッドネットワークにおける到達可能データレートを最大化するNP困難な最適化問題を定式化。アクセスおよびバックホールリンクの両方で下行および上行伝送を想定する。
• 問題を共同スケジューリングおよびリソース割り当てに分解し、電力および干渉制約下でデータレートを最大化するヒューリスティックアルゴリズムを提案する。
• リアルタイムのネットワーク状態およびトラフィック負荷に基づき、基地局とユーザー機器間の最適パスを貪欲に選択する動的ルーティングアルゴリズムを導入する。
• 緩和された最適化問題を解くために、修正されたKKTベースの電力割り当て手法を用い、最適電力割り当てはラグランジュ乗数およびチャネルゲインから導出する。
• 現実的なmmWave伝搬をモデル化するため、ビームフォーミング利得およびパスロスモデルを組み込み、方向性リンク分離および干渉を含む。
• システムレベルのシミュレーションを用いてベンチマークと比較し、アルゴリズムの近似最適性能および低遅延を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 方向性ビームフォーミングと干渉を考慮したmmWave IABハイブリッドネットワークにおいて、共同スケジューリングおよびリソース割り当てを最適化する方法は何か？
• RQ2 変動するトラフィックおよび負荷を伴うmmWave IABネットワークにおいて、動的マルチホップルーティングがデータレート性能に与える影響は何か？
• RQ3 非対称なトラフィック需要を伴うmmWave IABネットワークにおいて、柔軟な上行／下行スロット割り当てがシステム性能をどの程度向上できるか？
• RQ4 提案されたアルゴリズムは、半二重および全二重伝送モードにおいて、それぞれどのように動作し、スペクトル効率の向上はどの程度見込めるか？
• RQ5 提案されたヒューリスティックアルゴリズムは、計算遅延を低く保ちながら、データレートの理論的最適に近いか？

主な発見

• 提案された共同スケジューリングおよびリソース割り当てアルゴリズムは、広範なシステムレベルのシミュレーションにおいて、ベンチマーク手法に比べ顕著なデータレート向上を達成した。
• アルゴリズムは、到達可能なデータレートにおいて理論的最適に非常に近い性能を達成しており、全探索法と比較して著しく低い遅延を示した。
• 動的ルーティングアルゴリズムは、リアルタイムのネットワーク負荷およびトラフィック状態に基づき最適なマルチホップパスを適応的に選択することで、さらなるデータレート向上を実現した。
• システムは柔軟な下行および上行スロット割り当てをサポートしており、ユーザー需要パターンの変化に応じた性能の適応が可能である。
• 提案されたアルゴリズムは、半二重および全二重モードの両方で顕著な性能向上を達成しており、特にポイントツーマルチポイントおよびポイントツーポイント通信において利点を示した。
• 本ソリューションは高いスケーラビリティと適応性を示し、混雑したmmWave HetNetsにおける干渉の効果的管理と空間的再利用の活用を効果的に行った。