[논문 리뷰] Beam-searching and Transmission Scheduling in Millimeter Wave Communications

Hossein Shokri‐Ghadikolaei, Lazaros Gkatzikis외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 12.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 11인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 스펙트럼 효율을 극대화하기 위해 비례적 방향성 간섭-throughput 트레이드오프를 해결함으로써 밀리미터 웨이브 네트워크의 공동 빔폭 선택 및 전송 스케줄링 프레임워크를 제안한다. 빔폭에 의존하는 이득을 통해 간섭을 모델링하고, 간섭 보호와 스펙트럼 재사용을 균형 잡는 근사 알고리즘을 사용함으로써, 현재의 mmWave 프로토콜과 호환되면서도 기존 표준 대비 최대 100% 높은 대역폭을 달성한다.

ABSTRACT

Millimeter wave (mmW) wireless networks are capable to support multi-gigabit data rates, by using directional communications with narrow beams. However, existing mmW communications standards are hindered by two problems: deafness and single link scheduling. The deafness problem, that is, a misalignment between transmitter and receiver beams, demands a time consuming beam-searching operation, which leads to an alignment-throughput tradeoff. Moreover, the existing mmW standards schedule a single link in each time slot and hence do not fully exploit the potential of mmW communications, where directional communications allow multiple concurrent transmissions. These two problems are addressed in this paper, where a joint beamwidth selection and power allocation problem is formulated by an optimization problem for short range mmW networks with the objective of maximizing effective network throughput. This optimization problem allows establishing the fundamental alignment-throughput tradeoff, however it is computationally complex and requires exact knowledge of network topology, which may not be available in practice. Therefore, two standard-compliant approximation solution algorithms are developed, which rely on underestimation and overestimation of interference. The first one exploits directionality to maximize the reuse of available spectrum and thereby increases the network throughput, while imposing almost no computational complexity. The second one is a more conservative approach that protects all active links from harmful interference, yet enhances the network throughput by 100% compared to the existing standards. Extensive performance analysis provides useful insights on the directionality level and the number of concurrent transmissions that should be pursued. Interestingly, extremely narrow beams are in general not optimal.

연구 동기 및 목표

• 기존 표준에서 귀가 마비되는 현상과 단일 링크 스케줄링으로 인해 발생하는 mmWave 네트워크의 빔 어드레싱-스루풋 트레이드오프를 해결하기 위해.
• 단거리 mmWave 네트워크를 대상으로 빔폭 선택과 전송 스케줄링을 공동 최적화하여 유효한 네트워크 스펙트럼 효율을 극대화하기 위해.
• 완전한 네트워크 토폴로지 지식이 없더라도 계산적으로 효율적이고 확장 가능한 표준 준수 근사 알고리즘 개발을 위해.
• 빔폭, 방향성 및 동시 전송이 스펙트럼 효율성과 간섭에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 실제 mmWave 구현을 위한 최적의 빔폭과 동시 링크 수에 대한 설계 통찰을 제공하기 위해.

제안 방법

• 간섭 및 어드레싱 제약 조건 하에서 네트워크 스펙트럼 효율을 극대화하기 위한 공동 빔폭 및 전력 할당 최적화 문제를 수립한다.
• 수신 및 송신 빔폭의 곱(φᵢᵗφᵢʳ)을 사용하여 간섭을 모델링함으로써 SINR에 영향을 주는 방향성 이득 효과를 반영한다.
• 빔폭이 좁고 어드레싱이 불량할 경우 비정렬 링크의 간섭이 무시 가능할 수 있는 단순화된 스펙트럼 효율 근사식을 유도한다.
• 두 가지 근사 알고리즘을 제안한다: 하나는 간섭을 과소평가하여 스펙트럼 재사용을 극대화하고, 다른 하나는 간섭을 과대평가하여 완전한 간섭 보호를 확보한다.
• 분석적 유도를 통해 스펙트럼 효율 함수가 유일한 최대값을 가짐을 증명함으로써 효율적인 최적화가 가능함을 입증한다.
• ψᵢᵗ = ψᵢʳ = π/2 및 z = 0.1 등의 현실적인 파rameter 하에서 성능 분석을 통해 모델을 검증함으로써 근사식의 타당성을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 mmWave 통신에서 빔 어드레싱 오버헤드와 달성 가능한 데이터 전송 속도 사이의 근본적인 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ2 빔폭 선택과 동시 전송 스케줄링을 공동으로 최적화하여 네트워크 스펙트럼 효율을 극대화할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ3 빔폭에 의존하는 이득 곱을 사용하여 간섭을 정확하게 모델링할 수 있는가?
• RQ4 표준 준수 근사 알고리즘이 네트워크 토폴로지 지식이 불완전하더라도 상당한 대역폭 향상을 달성할 수 있는가?
• RQ5 실제 mmWave 환경에서 최적의 성능을 내기 위해 어떤 빔폭과 동시성 수준이 필요한가?

주요 결과

• 최적의 빔폭은 매우 좁지 않다. 너무 좁은 빔은 비례적인 속도 향상 없이 어드레싱 오버헤드를 증가시킨다.
• 간섭을 과소평가하는 제안된 근사 알고리즘은 최소한의 계산 비용으로 스펙트럼 재사용을 극대화함으로써 네트워크 대역폭을 증가시킨다.
• 간섭을 과대평가하는 보수적인 알고리즘은 기존 표준 대비 100% 높은 대역폭을 확보하면서도 모든 활성 링크를 보호한다.
• 스펙트럼 효율 함수는 유일한 최대값을 가지며, 이는 주어진 제약 조건 하에서 각 링크에 대해 유일한 최적의 빔폭이 존재함을 확인한다.
• 실제 파rameter(예: ψᵢᵗ = ψᵢʳ = π/2, z = 0.1) 하에서 간섭 항 S₂는 S₁에 비해 무시할 만큼 작으며, 이는 단순화된 스펙트럼 효율 모델의 타당성을 검증한다.
• 모델은 빔폭이 간섭 수준에 상당한 영향을 미치며, 빔폭이 적절히 관리될 경우 동시 전송이 가능함을 확인한다.