[論文レビュー] Throughput Improvement and Its Tradeoff with The Queuing Delay in the Diamond Relay Networks

Qing Wang, Pingyi Fan+1 more|ArXiv.org|Jul 10, 2009

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 20被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、ダイヤモンドリレーアーキテクチャにおいて、バッファ支援リレーめいて、空間再利用パターン（SRP）とアンプリファイ・アンド・フォワードパターン（AFP）を組み合わせたハイブリッドリレースケジューリング方式を提案する。この方式は、遅延の増加を伴いながらもスループットを向上させる。チャネル状態に応じてモードを動的に切り替え、スイッチング閾値を最適化することで、最大30％のスループット向上を達成する。また、G/G/1キューイングモデルを用いて、スループット向上とキューイング遅延のトレードオフを定量的に分析する。

ABSTRACT

Diamond relay channel model, as a basic transmission model, has recently been attracting considerable attention in wireless Ad Hoc networks. Node cooperation and opportunistic scheduling scheme are two important techniques to improve the performance in wireless scenarios. In the paper we consider such a problem how to efficiently combine opportunistic scheduling and cooperative modes in the Rayleigh fading scenarios. To do so, we first compare the throughput of SRP (Spatial Reused Pattern) and AFP (Amplify Forwarding Pattern) in the half-duplex case with the assumption that channel side information is known to all and then come up with a new scheduling scheme. It will that that only switching between SRP and AFP simply does little help to obtain an expected improvement because SRP is always superior to AFP on average due to its efficient spatial reuse. To improve the throughput further, we put forward a new processing strategy in which buffers are employed at both relays in SRP mode. By efficiently utilizing the links with relatively higher gains, the throughput can be greatly improved at a cost of queuing delay. Furthermore, we shall quantitatively evaluate the queuing delay and the tradeoff between the throughput and the additional queuing delay. Finally, to realize our developed strategy and make sure it always run at stable status, we present two criteria and an algorithm on the selection and adjustment of the switching thresholds.

研究の動機と目的

• 時間変動するレイノルズフェイジングおよびボトルネックリンクによるダイヤモンドリレーアーキテクチャにおけるスループット制限を解消すること。
• オポチュニスティックスケジューリングと協調リレー方式（SRPおよびAFP）を組み合わせることで、顕著な性能向上が達成可能かどうかを調査すること。
• リレ一にバッファストレージを活用し、良好なチャネル状態を活用して全体のスループットを向上させるハイブリッドリレー戦略を設計すること。
• 提案方式におけるスループット向上と導入されるキューイング遅延のトレードオフを定量的に分析すること。
• 安定かつ効率的な運用を保証するための最適スイッチング閾値選択の基準とアルゴリズムを確立すること。

提案手法

• 即時のチャネル状態情報に基づき、SRP（デコードアンドフォワード）とAFP（アンプリファイアンドフォワード）の間でモードを切り替えるハイブリッドリレー方式を提案する。
• SRPモード時、両方のリレーにバッファストレージを導入し、良好なチャネル状態の間にパケットを蓄積・転送することで、空間再利用性とスループットを向上させる。
• 離散的チャネルゲインレベルを持つ有限状態マルコフ連鎖としてシステムをモデル化し、最大フロー最小カット定理を用いてスループット式を導出する。
• G/G/1キューイングモデルを用いて、バッファ使用によって生じる追加のキューイング遅延を解析的に定量化する。
• スイッチング閾値Uとu（モード切り替えのチャネルゲイン閾値を表す）に依存するスループット向上指標Ψ(U,u)を導出する。
• スループットを最大化しつつ遅延を管理するための最適化アルゴリズムおよび2つの安定性基準を構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レイノルズフェイジング下で、ダイヤモンドリレーアーキテクチャにおいてSRPおよびAFPモード間のオポチュニスティックスケジューリングが、顕著なスループット向上をもたらすか？
• RQ2 協調ネットワークにバッファ支援リレーを導入した場合、スループット向上とキューイング遅延の根本的トレードオフは何か？
• RQ3 チャネル状態の変動にもかかわらず、単純なSRPとAFPのスイッチングではなぜ限界的な向上しか得られないのか？
• RQ4 スループット向上を最大化しつつシステムの安定性を維持するため、スイッチング閾値（U, u）をどのように最適化できるか？
• RQ5 バッファ支援ハイブリッドリレーシステムにおけるスループットと遅延のトレードオフを正確に捉える解析的モデルは何か？

主な発見

• 提案されたバッファ支援ハイブリッド方式は、チャネル状態や閾値設定に応じて、従来のSRPまたはAFP単体と比較して最大30％のスループット向上を達成する。
• 単にSRPとAFPを切り替えるだけでは、空間再利用効率が優れているため平均的にSRPが優位であるため、性能向上は限定的となる。
• バッファを備えたリレーの導入により、高ゲインリンクの活用が可能となり、キューイング遅延の増加を伴いながらも、有効スループットを顕著に向上させる。
• キューイング遅延はG/G/1キューイングシステムを用いて定量的にモデル化されており、異なるトラフィックおよびチャネル状態下での遅延トレードオフの正確な分析が可能である。
• 最適スイッチング閾値（U, u）はスループット向上を最大化することが示され、Uを小さくしuを大きくすることでより高い性能向上が得られることを解析的に証明した。
• 導出された向上指標Ψ(U,u)は、Uの増加に伴い厳密に減少し、uの減少に伴い厳密に増加することを証明しており、スイッチング閾値選択の最適化基準が妥当であることを裏付けている。