[論文レビュー] Optimal Joint Routing and Scheduling in Millimeter-Wave Cellular Networks

Dingwen Yuan, Hsuan-Yin Lin+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2017

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 23被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、ミリ波無線通信網におけるルーティングとスケジューリングを同時に最適化するスケジュール指向の最適化フレームワークを提案する。マッチング理論を用いてスルーレットの公平性を最大化する。200基を超えるミリ波基地局を含むネットワークにおいて最適性能を達成し、高速なエッジ彩色近似アルゴリズムを導入することで、最適解の80％以上の最大最小スルーレットを達成しながら、正確な手法に比べ5～100倍高速である。

ABSTRACT

Millimeter-wave (mmWave) communication is a promising technology to cope with the expected exponential increase in data traffic in 5G networks. mmWave networks typically require a very dense deployment of mmWave base stations (mmBS). To reduce cost and increase flexibility, wireless backhauling is needed to connect the mmBSs. The characteristics of mmWave communication, and specifically its high directional- ity, imply new requirements for efficient routing and scheduling paradigms. We propose an efficient scheduling method, so-called schedule-oriented optimization, based on matching theory that optimizes QoS metrics jointly with routing. It is capable of solving any scheduling problem that can be formulated as a linear program whose variables are link times and QoS metrics. As an example of the schedule-oriented optimization, we show the optimal solution of the maximum throughput fair scheduling (MTFS). Practically, the optimal scheduling can be obtained even for networks with over 200 mmBSs. To further increase the runtime performance, we propose an efficient edge-coloring based approximation algorithm with provable performance bound. It achieves over 80% of the optimal max-min throughput and runs 5 to 100 times faster than the optimal algorithm in practice. Finally, we extend the optimal and approximation algorithms for the cases of multi-RF-chain mmBSs and integrated backhaul and access networks.

研究の動機と目的

• 高コストなインfra構築を伴う高密度なミリ波セルラー網における効率的なバックホール供給の課題に対処すること。
• 方向性ビームフォーミングおよび干渉制約を満たしつつ、ルーティングとスケジューリングを統合的に最適化し、スルーレットの公平性を最大化すること。
• 動的なQoS要件を満たすための、多項式時間で最適な解を得るルーティングとスケジューリングの最適化手法を開発すること。
• 実用的導入に適した、性能保証付きの近似解法として、高速かつスケーラブルなアルゴリズムを設計すること。
• マルチRFチャネル搭載のmmBSおよび統合バックホール・アクセスネットワークに対応できるフレームワークに拡張すること。

提案手法

• リンクの時間とQoS指標を変数として用い、線形計画問題としてルーティングとスケジューリングの最適化問題を定式化する。
• マッチング理論を用いて、実行可能なスケジューリングを衝突グラフにおけるマッチングとしてモデル化し、最適化にマッチング多面体を適用可能にする。
• 分離問題を最大重みマッチング問題に還元することで、エリプソイド法を用いて線形計画問題の双対問題を多項式時間で解く。
• エッジ彩色に基づく近似アルゴリズムを提案し、干渉のないスケジューリングに基づいて時間スロットをリンクに割り当て、空間的再利用を確保する。
• 逐次的なフローサービス制約を回避する1段階のスケジュール指向最適化を導入し、可変長時間スロットを許容する。
• 衝突モデルおよび容量モデルを修正することで、マルチRFチャネル搭載基地局および統合バックホール・アクセスネットワークをサポートするフレームワークに拡張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミリ波バックホールネットワークにおける統合ルーティングとスケジューリングは、多項式時間で解ける最適化問題として定式化可能か？
• RQ2 ビームフォーミングおよび干渉制約を満たしつつ、スケジューリングを最適化することで、公平性とスルーレットを最大化できるか？
• RQ3 大規模なミリ波ネットワークにおいて、最適スケジューリングと実用的近似アルゴリズムとの性能差はどの程度か？
• RQ4 本フレームワークは、マルチRFチャネル搭載基地局および統合バックホール・アクセストポロジーに対応できるか？
• RQ5 提案手法は、大規模ネットワークにおいて、大幅に短縮された実行時間でほぼ最適性能を達成できるか？

主な発見

• 提案された最適なスケジュール指向最適化手法は、エリプソイド法を用いることで、最大スルーレット公平スケジューリング（MTFS）問題を多項式時間で解ける。
• 最適アルゴリズムは最適な最大最小公平性を達成し、200基を超えるミリ波基地局を含むネットワークにおいてもスケーラブルである。
• エッジ彩色に基づく近似アルゴリズムは、実用的に最適解の80％以上の最大最小スルーレットを達成する。
• 近似アルゴリズムは最適アルゴリズムに比べ5～100倍高速に実行され、リアルタイム導入に適している。
• フレームワークは動的なQoS最適化をサポートし、事前に定義されたルーティング制約なしに最適ルートを自動的に決定できる。
• マルチRFチャネル搭載mmBSおよび統合バックホール・アクセスネットワークへの拡張においても、コアアルゴリズムの最適性とスケーラビリティが維持される。