[論文レビュー] Performance Evaluation of Scheduling in 5G-mmWave Networks under Human Blockage

Fadhil Firyaguna, Andrea Bonfante+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2020

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 34被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、近い将来に予測される人間による遮蔽を踏まえて、事前にリソースを割り当てることで、5G-mmWaveネットワークにおける遮蔽に強い比例分配（BA-PF）スケジューラーを提案する。遮蔽予測を活用することで、BA-PFスケジューラーは1%分位のデータレートを最大267%向上させ、深刻な遮蔽下でも従来のPFスケジューリングに比べて公平性を向上させるが、遮蔽予測によるリソース事前割当てのため、平均ユーザーレートは低下するという代償を伴う。

ABSTRACT

The millimetre-wave spectrum provisions enormous enhancement to the achievable data rate of 5G networks. However, human blockages affecting the millimetre-wave signal can severely degrade the performance if proper resource allocation is not considered. In this paper, we assess how conventional schedulers, such as the Proportional Fair scheduler, react to the presence of blockage. Our results show that the resource allocation may disfavour users suffering from blockage, leading to low data rate for those users. To circumvent this problem, we show that the data rate of those users can be improved by using a scheduler adapted to react to upcoming blockage events. The adapted scheduler aims at proactively allocating the resources before a blockage happens, mitigating losses. Such adaptation is motivated by recent progress in blockage prediction for millimetre-wave signals in a dynamic human blockage scenario. Our extensive simulations indicate gains in the 1st percentile rate and fairness with respect to Proportional Fair scheduler when blockage conditions are severe.

研究の動機と目的

• 5G-mmWaveネットワークにおける人間による遮蔽下での従来のスケジューラー（例：比例分配（PF））の性能を評価すること。
• 頻繁に遮蔽を受けるユーザーの公平性とデータレートを維持する観点で、従来のスケジューラーの限界を特定すること。
• 遮蔽が発生する前に事前にリソースを割り当てる遮蔽に強いスケジューラー（BA-PF）を設計・評価すること。
• 遮蔽の深刻度や予測ウィンドウ長の変化に応じて、公平性およびユーザースループット（特に遮蔽を受けるユーザー）の向上を定量的に評価すること。

提案手法

• BA-PFスケジューラーは、予測される遮蔽の前に複数の伝送スロット先まで、将来のユーザーレートを予測する。
• 従来のPFスケジューラーの指標を、予測されたチャネル状態を組み込むことで変更し、遮蔽されやすいユーザーを優先する。
• 遮蔽予測は、sub-6 GHzチャネル推定、ビームフォーミングベクトル追跡、または遮蔽物のモーショントラッキングを用いたカメラベース手法に基づく。
• スケジューラーは、遮蔽状態に移行するユーザーを優先してリソースを動的に割り当てることで、劣化が生じる前にデータレートを向上させる。
• 性能評価には、遮蔽到着率（λ_B）と持続時間（τ_B）を変化させた広範なシミュレーションを実施し、公平性指数、平均レート、1%分位レートを指標とする。
• 予測ウィンドウ長（n_T = 50 msおよび500 ms）の違いに応じて、BA-PFの性能を従来のPFおよびMaxMinスケジューラーと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 5G-mmWaveネットワークにおける深刻な人間による遮蔽下で、従来の比例分配（PF）スケジューラーはどのように動作するか？
• RQ2 遮蔽予測により、遮蔽を受けるユーザーの性能劣化を軽減するための事前リソース割り当てがどの程度可能になるか？
• RQ3 遮蔽に強いスケジューラーを用いる場合、公平性、1%分位レート、平均ユーザーレートの間でどのようなトレードオフが生じるか？
• RQ4 予測ウィンドウ長がBA-PFスケジューラーの性能向上にどのように影響するか？

主な発見

• 予測ウィンドウが500 msで遮蔽状態が深刻な場合、BA-PFスケジューラーは従来のPFスケジューラーに比べ、1%分位レートを最大267%向上させる。
• 遮蔽到着率が高水準（λ_B ≥ 1 blocker/s）の状況下では、BA-PFスケジューラーは遮蔽を受けるユーザーがリソースを獲得できない状態を回避するため、PFスケジューラーに比べて公平性が向上する。
• BA-PFスケジューラーの平均レートは、遮蔽を受けるユーザーへのリソース事前割当てのため、PFスケジューラーに比べ最大22%低下しており、公平性とスペクトル効率のトレードオフを示している。
• BA-PFの性能向上は、遮蔽持続時間が長く、効果的な事前割当てが可能な場合（例：τ_B = 3000 ms）に顕著に現れる。
• 従来のMaxMinスケジューラーは遮蔽下で性能が著しく劣り、遮蔽を受けるユーザーのレート向上が不可能で、全体のスペクトル効率も低いため、不適切である。
• PFスケジューラーは高遮蔽状態で著しく性能が低下し、MaxMin性能に近づく。これは、遮蔽を受けていないユーザーを次第に優遇するため、遮蔽を受けるユーザーに不公平が生じるためである。