[論文レビュー] Throughput Optimal Decentralized Scheduling with Single-bit State Feedback for a Class of Queueing Systems

Avinash Mohan, Aditya Gopalan+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2020

Advanced Wireless Network Optimization参考文献 38被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、無線IoTネットワークにおけるスループット最適で分散型のスケジューリング方策を、1ビットのキュー状態フィードバック（空/非空）のみを用いて提案する。Queue Nonemptiness-Based（QNB）方策とポリシー合成技術を導入し、最小限の情報で最適性能を達成する。N ≥ 4では、1ビットフィードバックのみで和キュー長最適性が達成できないことを証明するとともに、線形アレイやクライQUE群のスターアレイといった構造的干渉グラフにおいて、安定性と低遅延を示す。

ABSTRACT

Motivated by medium access control for resource-challenged wireless Internet of Things (IoT), we consider the problem of queue scheduling with reduced queue state information. In particular, we consider a time-slotted scheduling model with $N$ sensor nodes, with pair-wise dependence, such that Nodes $i$ and $i + 1,~0 < i < N$ cannot transmit together. We develop new throughput-optimal scheduling policies requiring only the empty-nonempty state of each queue that we term Queue Nonemptiness-Based (QNB) policies. We propose a Policy Splicing technique to combine scheduling policies for small networks in order to construct throughput-optimal policies for larger networks, some of which also aim for low delay. For $N = 3,$ there exists a sum-queue length optimal QNB scheduling policy. We show, however, that for $N > 4,$ there is no QNB policy that is sum-queue length optimal over all arrival rate vectors in the capacity region. We then extend our results to a more general class of interference constraints that we call cluster-of-cliques (CoC) conflict graphs. We consider two types of CoC networks, namely, Linear Arrays of Cliques (LAoC) and Star-of-Cliques (SoC) networks. We develop QNB policies for these classes of networks, study their stability and delay properties, and propose and analyze techniques to reduce the amount of state information to be disseminated across the network for scheduling. In the SoC setting, we propose a throughput-optimal policy that only uses information that nodes in the network can glean by sensing activity (or lack thereof) on the channel. Our throughput-optimality results rely on two new arguments: a Lyapunov drift lemma specially adapted to policies that are queue length-agnostic, and a priority queueing analysis for showing strong stability.

研究の動機と目的

• リソース制約のあるIoTネットワークに対して、最小限のキュー状態フィードバックを用いた分散型スケジューリング方策の設計。
• ペアワイズ干渉制約を持つキューイングシステムのクラスにおいて、空/非空状態情報（1ビットフィードバック）のみを用いてスループット最適性を達成すること。
• 線形アレイやスターアレイを含む一般化されたクラスターオブクライQUE（CoC）干渉グラフに結果を拡張すること。
• 制限された情報伝達条件下での、提案方策の安定性および遅延性能の分析。
• 完全なキュー長知識がなくても、常に干渉しない非空キューの最大数をスケジューリングする必要がない最適性能の達成可能性の証明。

提案手法

• 各キューの2値状態（空または非空）のみを用いるQueue Nonemptiness-Based（QNB）スケジューリング方策の開発。
• 小規模ネットワーク用の方策を統合して大規模ネットワーク用のスループット最適方策を構築するためのポリシー合成技術の導入。
• キュー長に依存しない方策に特化した新しいリャプノフドリフト補題を適用し、安定性およびスループット最適性の証明。
• 優先順位キューイング解析を用いて、提案方策下での強い安定性の確立。
• 線形アレイのクラスターオブクライQUE（LAoC）およびスターアレイのクラスターオブクライQUE（SoC）を含む、クラスターオブクライQUE（CoC）ネットワークへの結果の拡張。それぞれに特化したQNB方策を適用。
• SoCネットワークにおけるチャネルセンシングに基づく方策を提案。明示的な状態交換を不要とし、活動検出に依存する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ペアワイズ干渉制約を持つネットワークにおいて、1ビット（空/非空）フィードバックのみでスループット最適スケジューリングが達成可能か？
• RQ2 N ≥ 4の場合、このようなシステムにおいて1ビットフィードバックのみで和キュー長最適性が達成可能か？
• RQ3 小規模ネットワーク用の方策をどのように組み合わせて、大規模ネットワーク用のスループット最適方策を構築できるか？
• RQ4 LAoCおよびSoCのような構造的干渉グラフにおけるQNB方策の安定性および遅延特性は何か？
• RQ5 常に干渉しない非空キューの最大数をスケジューリングする必要がない状況でも、スループット最適性を達成可能か？

主な発見

• N = 3の場合、空/非空フィードバックのみを用いて和キュー長最適方策が存在する。
• N ≥ 4の場合、空/非空状態のみを用いたスケジューリング方策では、容量領域内のすべてのレートベクトルに対して和キュー長最適性を達成できない。
• 提案されたQNB方策は、線形アレイのクラスターオブクライQUE（LAoC）およびスターアレイのクラスターオブクライQUE（SoC）ネットワークにおいて、スループット最適性を達成する。
• SoCネットワークでは、明示的な状態交換を一切行わず、チャネル活動検出に依存するだけで、スループット最適方策を実装可能である。
• ポリシー合成技術により、小規模な構成要素から大規模ネットワーク用のスループット最適方策を構築可能である。
• キュー長に依存しない方策に適応した新しいリャプノフドリフトの議論により、正再帰性および強い安定性を保証する安定性の証明がなされた。