[論文レビュー] Joint Relaying and Spatial Sharing Multicast Scheduling for mmWave Networks

Gek Hong, Sim+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2019

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 26被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、マルチキャスト完了時間を最小化するために中継と空間再利用を統合的に活用する、mmWaveネットワーク向けの分散型マルチキャストスケジューリングアルゴリズムmmDiMuを提案する。指向性ビームと中継ノードを活用することで、mmDiMuはsub-6GHzベースの手法と比較して最大96.21%、アダプティブビーム幅方式と比較して78.22%の完了時間短縮を達成し、スケーラブルで分散型の動作を実現しながらほぼ最適な性能を実現する。

ABSTRACT

Millimeter-wave (mmWave) communication plays a vital role to efficiently disseminate large volumes of data in beyond-5G networks. Unfortunately, the directionality of mmWave communication significantly complicates efficient data dissemination, particularly in multicasting, which is gaining more and more importance in emerging applications (e.g., V2X, public safety). While multicasting for systems operating at lower frequencies (i.e., sub-6GHz) has been extensively studied, they are sub-optimal for mmWave systems as mmWave has significantly different propagation characteristics, i.e., using the directional transmission to compensate for the high path loss and thus promoting spectrum sharing. In this paper, we propose novel multicast scheduling algorithms by jointly exploiting relaying and spatial sharing gains while aiming to minimize the multicast completion time. We first characterize the min-time mmWave multicasting problem with a comprehensive model and formulate it with an integer linear program (ILP). We further design a practical and scalable distributed algorithm named mmDiMu, based on gradually maximizing the transmission throughput over time. Finally, we carry out validation through extensive simulations in different scales and the results show that mmDiMu significantly outperforms conventional algorithms with around 95% reduction on multicast completion time.

研究の動機と目的

• 高い経路損失と指向性ビームフォーミングに起因するmmWaveネットワークにおけるマルチキャスト配信の非効率性の課題に対処する。
• 全方向伝送を仮定するsub-6GHzマルチキャストスケジューリングの限界を克服し、mmWave環境に最適でないことを示す。
• 中継の使用と指向性ビームの空間再利用を同時に最適化することでマルチキャスト完了時間を最小化する、スケーラブルで分散型のアルゴリズムを設計する。
• 中継ノードを介した制御信号伝送にsub-6GHzを活用することで、遮断や移動性が生じる高密度mmWaveネットワークでも信頼性の高いスケジューリングを実現する。

提案手法

• 中継選択、ビームフォーミング、スケジューリング意思決定を統合的にモデル化するため、最小完了時間mmWaveマルチキャスト問題を整数線形計画問題（ILP）として定式化する。
• 各時刻スロットで高利得伝送リンクを選択することでスループットを段階的に最大化する、分散型でグリーディなアルゴリズムmmDiMuを設計する。
• ユニキャストとマルチキャスト伝送を中継経由で統合するハイブリッドスケジューリングアプローチを採用し、カバレージとデータレートを向上させる。
• 干渉が生じないビーム間で同時に伝送を許可することで、mmWaveの指向性を活かした空間再利用を実現する。
• スケジューリング情報が強固なsub-6GHzリンク（例：IEEE 802.11ad FST や DSRC）を介して広報されることで、調整を保証する同期メカニズムを統合する。
• リンク発見とビームトレーニングを用いて遮断をモデル化し、遮断されたリンクをスケジューリングから動的に除外しながら、中継経由でデータ配信を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 mmWaveマルチキャストにおいて、中継ノードと空間再利用をどのように統合的に活用することで完了時間を短縮できるか？
• RQ2 大規模mmWaveネットワークにおいて、分散型アルゴリズムが最適なILP定式化の性能にどの程度近づけるか？
• RQ3 本手法は、従来のsub-6GHzマルチキャストスケジューリングおよびアダプティブビーム幅手法と比較して、完了時間の点でどの程度優れているか？
• RQ4 干渉の最小化を目的関数に含めない状況でも、空間再利用を有効にした高密度mmWaveネットワークにおける干渉の影響はいかほどか？
• RQ5 mmWaveリンクの高い経路損失と遮断への感受性を考慮しても、どのようにしてmmWaveネットワークにおけるスケジューリングを同期化できるか？

主な発見

• 提案されたILP定式化は最適なマルチキャストスケジューリングを達成するが、計算複雑性が高いためスケーラビリティに劣る。
• 分散型mmDiMuアルゴリズムは、最適なILP解からわずか3.79%の差異に留め、ほぼ最適な性能を示す。
• mmDiMuは従来のsub-6GHzベースのマルチキャストスケジューリングアルゴリズムと比較して、最大96.21%の完了時間短縮を達成する。
• アダプティブビーム幅方式（Adapt）と比較して、mmDiMuはmmWave環境下で最大78.22%の完了時間短縮を実現する。
• 干渉最小化を目的関数に含めないにもかかわらず、高密度環境下で45°のビーム幅であっても、総干渉はわずか5%にとどまる。
• 遮断が生じた場合でも、遮断されていない中継ノードを介して動的にデータ経路を再ルーティングすることで、アルゴリズムは遮断に強く、エンドツーエンドの配信を保証する。