[논문 리뷰] Coalition Game based Full-duplex Concurrent Scheduling in Millimeter Wave Wireless Backhaul Network

Haiyan Jiang, Yong Niu외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 03.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 18인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 QoS 요구사항을 충족하는 흐름의 수를 최대화하기 위해 밀리미터파 무선 백홀 네트워크에서 코али션 게임 기반의 풀디플렉스 동시 스케줄링 알고리즘(FDCG)을 제안한다. 동시 스케줄링을 코알리션 게임으로 모델링하여 시간 슬롯당 합산 속도를 최대화함으로써, FDCG는 TDMA, SFD, STDMA보다 완료된 흐름 수와 시스템 스루풋 측면에서 뛰어나며, 특히 중간 수준의 자기간섭 제거 및 다중 사용자 간섭 수준에서 뛰어난 성능을 보인다.

ABSTRACT

With the development of self-interference (SI) cancelation technology, full-duplex (FD) communication becomes possible. FD communication can theoretically double the spectral efficiency. When the time slot (TS) resources are limited and the number of flows is large, the scheduling mechanism of the flows becomes more important. Therefore, the effectiveness of FD scheduling mechanism for the flows is studied in millimeter wave wireless backhaul network with the limited TS resources. We proposed a full duplex concurrent scheduling algorithm based on coalition game (FDCG) to maximize the number of flows with their QoS requirements satisfied. We transformed the problem of maximizing the number of flows with their QoS requirements satisfied into the problem of maximizing sum rate of concurrently scheduled flows in each slot. We obtained the scheduled flows with maximum sum rate in first slot by using coalition game.And then with certain restrictions, the maximum sum rate of concurrently scheduled flows can also be achieved in subsequent time slots. The simulation results show that the proposed FDCG algorithm can achieve superior performance in terms of the number of flows that meet their QoS requirements and system throughput compared with other three algorithms.

연구 동기 및 목표

• 시간 제약이 있는 mmWave 무선 백홀 네트워크에서 QoS 요구사항을 충족하는 흐름의 수를 최대화하는 데 도전 과제를 해결한다.
• QoS나 시스템 스루풋을 최적화하지 못하는 이전의 하프디플렉스 및 탐욕적 풀디플렉스 스케줄링 기법의 한계를 극복한다.
• 자기간섭 제거 기술을 활용한 풀디플렉스 통신을 통해 mmWave 백홀에서 스펙트럼 효율을 두 배로 증가시킨다.
• 시간 슬롯당 합산 속도를 최대화하면서 QoS 제약 조건을 준수하는 동시에 동시 전송 흐름 조합을 동적으로 선택하는 스케줄링 메커니즘을 개발한다.
• 밀도가 높은 mmWave 소셀 백홀 환경에서 자원 활용도와 시스템 용량을 향상시킨다.

제안 방법

• 흐름들이 동시 전송 전송의 합산 속도를 최대화하기 위해 코알리션을 형성하는 코알리션 게임으로 동시 스케줄링 문제를 수립한다.
• 안정적이고 고스루풋의 흐름 조합을 각 시간 슬롯에서 식별하기 위해 코알리션 형성 알고리즘을 사용하며, 어떤 흐름도 코알리션을 변경함으로써 자신의 속도를 향상시킬 수 없도록 보장한다.
• 완료된 흐름 수를 최대화하는 목표를 시간 슬롯당 합산 속도를 최대화하는 것으로 변환하여, 풀디플렉스 운영을 통해 스펙트럼 효율을 두 배로 증가시킨다.
• 잔류 자기간섭과 다중 사용자 간섭(MUI)에 대한 제약 조건을 적용하여 현실적인 풀디플렉스 조건을 모델링한다.
• 각 시간 슬롯에서 합산 속도가 가장 높은 코알리션을 반복적으로 스케줄링하고, 완료된 흐름을 제거하며 가용 흐름 집합을 갱신한다.
• 탐욕적 선택을 피하기 위해 게임 이론적 접근을 적용하여 히우리스틱 방법에 비해 더 나은 장기적 흐름 완료율과 스루풋을 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 풀디플렉스 통신을 mmWave 백홀 네트워크에서 효과적으로 활용하여 시스템 스루풋과 흐름 완료율을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 코알리션 게임 기반 스케줄링 접근 방식이 QoS 인식 흐름 완료율과 합산 속도 측면에서 탐욕적 또는 하프디플렉스 스케줄링에 비해 어느 정도 뛰어나게 성능을 발휘하는가?
• RQ3 잔류 자기간섭(RSI)과 다중 사용자 간섭(MUI)은 풀디플렉스 스케줄링 알고리즘의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 시간 제약이 있는 mmWave 백홀 네트워크에서 고속도 흐름을 스케줄링할 때, 스케줄링 효율성과 QoS 요구사항 사이의 상충 관계는 어떻게 나타나는가?
• RQ5 게임 이론적 접근 방식은 풀디플렉스 mmWave 백홀 환경에서 STDMA, SFD, TDMA와 같은 기존 알고리즘보다 더 나은 자원 활용도를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• MUI 요소가 0.05일 때, FDCG 알고리즘은 STDMA보다 완료된 흐름 수가 61.53% 더 많다.
• QoS 요구사항이 4 Gbps일 때, FDCG는 SFD, STDMA, TDMA보다 더 많은 완료된 흐름 수를 유지하여 고속 요구사항 하에서도 뛰어난 강건성을 보인다.
• FDCG 하에서 시스템 스루풋은 증가하는 QoS 요구사항에 관계없이 약 30 Gbps로 안정되어 있어, 높은 요구사항에 비해 성능 저하가 거의 없음을 시사한다.
• 750~1500 시간 슬롯 범위에서 FDCG는 흐름 완료율과 시스템 스루풋 측면에서 SFD와 STDMA를 모두 앞서며 가장 높은 합산 속도 향상을 보였다.
• 잔류 자기간섭(β > 10⁴) 수준이 높아지면 성능이 저하되지만, FDCG는 여전히 SFD를 능가하고, β가 10⁵에 도달할 때까지 STDMA와의 성능 격차를 유지한다.
• 1500 시간 슬롯을 초과하면 수익 감소 현상이 나타나며, 이는 최적의 코알리션 형성이 이루어지지 않아 스루풋 향상이 감소하기 때문임을 시사한다.