[論文レビュー] Recent Results on Proportional Fair Scheduling for mmWave-based Industrial Wireless Networks

Jiteng Ma, Adnan Aijaz+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2020

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 16被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、動的で散乱が豊富な環境において公平性と応答性を向上させるために、mmWaveベースの産業用無線ネットワーク向けに強化された比例割り当て（EPF）スケジューラーを提案する。標準の比例割り当て（SPF）アルゴリズムを、非視線（NLOS）状態にいるユーザーの優先順位を高め、チャネル変動への反応を速めるように変更することで、EPFは、最大10.7%の『95百分位を超える遅延』の低減と、スループットにおける0.994の公平性指数を達成し、急速なチャネル変動下でもSPFを上回る公平性と耐障害性を実現する。

ABSTRACT

Millimeter wave (mmWave) communication has recently attracted significant attention from both industrial and academic communities. The large bandwidth availability as well as low interference nature of mmWave spectrum is particularly attractive for industrial communication. However, inherent challenges such as coverage and blockage of mmWave communication cause highly fluctuated channel quality. This paper explores wireless medium access control (MAC) schedulers for mmWave-based industrial wireless applications. Our objective is to design a high-performance and enhanced fairness MAC scheduling algorithm that responds rapidly to channel variations. The key contribution of our work is a method to modify the standard proportional fair (SPF) scheduler. It introduces more flexibility and dynamic properties. Compared to the SPF, our enhanced proportional fair (EPF) scheduler not only improves the priority for users in poor channel conditions but also accelerates the reaction time in fluctuated channel conditions. By providing higher fairness for all users and enhancing system robustness, it particularly adapts to the scatter-rich industrial mmWave communication environment. Through extensive performance evaluation based on the widely accepted network simulator (ns-3), we show that the new scheduler achieves better performance in terms of delivering ultra-low latency and reliable services over mmWave-based industrial communication.

研究の動機と目的

• 産業環境で一般的に見られる急速に変動するmmWaveチャネルにおいて、標準の比例割り当て（SPF）スケジューリングの限界を解消すること。
• mmWave通信における深い深度フェイドと遮断に苦しむ非視線（NLOS）状態のユーザーの公平性を向上させること。
• mmWaveベースの産業用IoTアプリケーションにおけるキューイング遅延を低減し、超低遅延性能を向上させること。
• チャネル変動に動的に適応するが、高いシステムスループットを維持するMAC層スケジューラーを設計すること。
• 高い移動性と高密度な散乱を伴う現実的な産業シナリオ下での提案スケジューラーの性能を評価すること。

提案手法

• EPFスケジューラーは、特にNLOS状況で深刻なチャネル状態にあるユーザーの優先順位を高めるために、動的重み係数を導入することで、標準のSPFアルゴリズムを変更する。
• チャネル品質の変化に迅速に反応できるように公平性指標を調整することで、チャネル変動への反応速度を向上させ、キューイング遅延を低減する。
• ユーザーの公平性を悪化させることなく、劣悪なチャネル状態での公平性を重視する、修正されたスループット対公平性トレードオフ関数を用いる。
• 実際の3GPP統計的チャネルモデルを用いたns-3ネットワークシミュレータのmmWave通信モジュールを用いて、アルゴリズムを実装および評価する。
• 柔軟なTTIと適応的変調・符号化を用いて、現実のmmWaveシステム制約を反映する。
• スループットと遅延の両方の公平性を評価するためのJainの公平性指数と、最悪遅延性能を定量化する『95百分位を超える遅延』を用いて性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EPFスケジューラーは、標準の比例割り当て（SPF）スケジューラーと比較して、非視線（NLOS）状態のユーザーの公平性をどのように向上させるか？
• RQ2 EPFスケジューラーは、急速にフェイドするmmWaveチャネルにおいて、最悪ケース（95百分位）遅延をどの程度低減するか？
• RQ3 散乱が豊富な産業環境下でNLOSユーザーを優先する場合、システムスループットと公平性のトレードオフはどのようなものか？
• RQ4 EPFスケジューラーは、視線（LOS）から非視線（NLOS）への遷移を含む急速なチャネル変動に対して、SPFと比較してどのように反応するか？
• RQ5 EPFスケジューラーは、現実のトラフィックおよび移動性モデル下でも、mmWaveベースの産業用無線ネットワークで高い信頼性と超低遅延を維持できるか？

主な発見

• EPFスケジューラーは、NLOSが支配的な環境下で、スループット公平性指数が0.994に達し、SPFと比較して顕著に公平性が向上した。
• ケース1（NLOS移動性）では、EPFスケジューラーが『95百分位を超える遅延』をSPFと比較して10.7%低減した。これは、チャネル変化への適応速度の向上を示している。
• ケース2（ランダム移動性および散乱）では、EPFを用いることで『95百分位を超える遅延』が12.3%改善され、現実的状況下での耐障害性を示している。
• EPFスケジューラーは、わずかなLOSユーザー性能の低下を伴いながらも、NLOSユーザーのスループットと遅延性能を向上させた。
• ケース2におけるJainの公平性指数による遅延公平性の向上は、EPFがSPFと比較して2.2%向上した。
• 提案されたEPFスケジューラーは、システム性能と公平性のバランスを効果的に実現しており、超信頼性・低遅延産業用mmWaveアプリケーションに適している。