[論文レビュー] Integrating Sub-6 GHz and Millimeter Wave to Combat Blockage: Delay-Optimal Scheduling

Guidan Yao, Morteza Hashemi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2019

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 22被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、遮断による障害を是正するために、sub-6 GHzおよびミリ波（mmWave）無線を統合する遅延最適スケジューリング方針を提案する。システムをマルコフ決定過程（MDP）としてモデル化することで、キュー長が臨界閾値未満である場合にのみパケットをmmWaveにルーティングする閾値ベースのポリシーが、割引遅延および平均遅延の両方を最小化することを証明した。重交通条件下では、ベースライン方針と比較して平均遅延を最大70％まで低減できる。

ABSTRACT

Millimeter wave (mmWave) technologies have the potential to achieve very high data rates, but suffer from intermittent connectivity. In this paper, we provision an architecture to integrate sub-6 GHz and mmWave technologies, where we incorporate the sub-6 GHz interface as a fallback data transfer mechanism to combat blockage and intermittent connectivity of the mmWave communications. To this end, we investigate the problem of scheduling data packets across the mmWave and sub-6 GHz interfaces such that the average delay of system is minimized. This problem can be formulated as Markov Decision Process. We first investigate the problem of discounted delay minimization, and prove that the optimal policy is of the threshold-type, i.e., data packets should always be routed to the mmWave interface as long as the number of packets in the system is smaller than a threshold. Then, we show that the results of the discounted delay problem hold for the average delay problem as well. Through numerical results, we demonstrate that under heavy traffic, integrating sub-6 GHz with mmWave can reduce the average delay by up to 70%. Further, our scheduling policy substantially reduces the delay over the celebrated MaxWeight policy.

研究の動機と目的

• 人間の身体や障害物による原因で発生する一時的なmmWave接続の不安定性に対処すること。
• sub-6 GHzフォールバックリンクを統合することで、mmWaveネットワークにおけるシステム遅延を低減できるかどうかを調査すること。
• sub-6 GHzおよびmmWaveインターフェースの両方における平均遅延を最小化する能動的スケジューリング方針を設計すること。
• 割引遅延および平均遅延最小化の両方において、閾値型ポリシーの最適性を証明すること。

提案手法

• mmWaveおよびsub-6 GHzインターフェースのキュー長を状態空間とするマルコフ決定過程（MDP）としてスケジューリング問題を定式化する。
• 価値反復を用いて最適ポリシーの構造的性質を導出し、コスト・トゥ・ゴール関数の単調性および凸性を示す。
• 合計キュー容量に基づいてシステム状態を統合することで、4次元状態空間を3次元に削減する。
• 最適ポリシーが閾値型であることを証明する：mmWaveキュー長が臨界閾値未満である場合にのみmmWaveにルーティングする。
• 構造的解析および収束論的議論を用いて、割引遅延最小化から平均遅延最小化への結果の拡張を実施する。
• 動的計画法および再帰的不等式を用いて、さまざまなシステム状態下での閾値ポリシーの最適性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 mmWaveネットワークで遮断が生じる状況において、sub-6 GHzをフォールバックリンクとして統合することでシステム遅延を低減できるか？
• RQ2 sub-6 GHzおよびmmWaveインターフェースの両方における平均遅延を最小化する最適スケジューリング方針は何か？
• RQ3 割引遅延最小化の最適ポリシーが、このハイブリッドシステムにおいて平均遅延最小化に対しても最適であるか？
• RQ4 最適ポリシーはキュー長に基づいた閾値構造を示すか？
• RQ5 本稿で提案するポリシーは、遅延性能面で有名なMaxWeightポリシーと比べてどのように差をつけるか？

主な発見

• 遅延最小化の最適スケジューリング方針は、閾値型である：mmWaveキュー長が特定の閾値未満である場合にのみパケットをmmWaveにルーティングすべきである。
• 閾値ポリシーは、割引遅延の最小化にとどまらず、平均遅延の最小化に対しても最適であり、実用的意義が拡張される。
• 数値結果から、重交通条件下では、非統合または反応型の手法と比較して、平均遅延が最大70％まで低減されることを示した。
• Throughput性能はMaxWeightポリシーと同等である一方、遅延低減性能では著しく優れている。
• mmWaveへのルーティングとsub-6 GHzへのルーティングのコスト差は、システム全体の負荷が高くなるに従い増大するため、高交通時における閾値ポリシーの妥当性が裏付けられる。
• 構造的証明により、システムが軽負荷の場合はmmWaveを優先する最適ポリシーであることが確認され、mmWaveが混雑または遮断されている場合にのみsub-6 GHzに移行する。