[논문 리뷰] Delay Estimation and Fast Iterative Scheduling Policies for LTE Uplink

Akash Baid, Madan, Ritesh외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 01. 16.

Advanced Wireless Network Optimization참고 문헌 20인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 LTE 업링크에서 버퍼 상태 보고서(BSR)만을 사용하여 새로운 지연 추정 기법을 제안하여 실제 패킷 지연을 기반으로 하는 저복잡도 반복 스케줄링을 가능하게 한다. 전력 및 대역폭 제약 조건이 있는 비가능도성 볼록 최적화 문제를 수립하여, 평탄한 fading 채널에서는 반복당 $O(N\text{log}L)$의 복잡도를, 주파수 다양성 시스템에서는 $O(N(M^2 + L^2))$의 복잡도를 달성하며, 큐 길이 기반 스케줄러에 비해 지연을 크게 감소시킨다.

ABSTRACT

We consider the allocation of spectral and power resources to the mobiles (i.e., user equipment (UE)) in a cell every subframe (1 ms) for the Long Term Evolution (LTE) orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) cellular network. To enable scheduling based on packet delays, we design a novel mechanism for inferring the packet delays approximately from the buffer status reports (BSR) transmitted by the UEs; the BSR reports only contain queue length information. We then consider a constrained optimization problem with a concave objective function - schedulers such as those based on utility maximization, maximum weight scheduling, and recent results on iterative scheduling for small queue/delay follow as special cases. In particular, the construction of the non-differentiable objective function based on packet delays is novel. We model constraints on bandwidth, peak transmit power at the UE, and the transmit power spectral density (PSD) at the UE due to fractional power control. When frequency diversity doesn't exist or is not exploited at a fast time-scale, we use subgradient analysis to construct an O(N log L) (per iteration with small number of iterations) algorithm to compute the optimal resource allocation for N users and L points of non-differentiability in the objective function. For a frequency diversity scheduler with M sub-bands, the corre- sponding complexity per iteration is essentially O(N(M^2+L^2)). Unlike previous iterative policies based on delay/queue, in our approach the complexity of scheduling can be reduced when the coherence bandwidth is larger. Through detailed system simulations (based on NGMN and 3GPP evaluation methodology) which model H-ARQ, finite resource grants per sub-frame, deployment, realistic traffic, power limitations, interference, and channel fading, we demonstrate the effectiveness of our schemes for LTE.

연구 동기 및 목표

• UE가 BSR를 통해 버퍼 크기만 보고하는 제한된 피드백 조건에서도 LTE 업링크에서 지연 기반 스케줄링을 가능하게 하기 위해.
• 선두 패킷 지연을 기반으로 하는 볼록 보상 함수를 최대화하는 계산 효율적인 스케줄링 정책을 설계하기 위해.
• 최대 전력, 분수 전력 제어 및 SC-FDMA 시스템의 연속적인 RB 할당과 같은 실제 제약 조건을 모델링하기 위해.
• 특히 코herence 대역폭이 클 경우 채널 상관관계와 하향 기울기 방법을 활용하여 스케줄링 복잡도를 감소시키기 위해.
• H-ARQ, 간섭 및 실제 트래픽을 포함한 3GPP 준수 시뮬레이션을 통해 제안된 방법을 종합적으로 검증하기 위해.

제안 방법

• 큐 길이 및 속도 동역학을 이용하여 BSR 보고서에서 선두 패킷 지연을 추론하는 새로운 지연 추정 기법을 개발한다.
• 지연 기반으로 비가능도성 볼록 유틸리티 함수를 구성하며, 이는 유틸리티 최적화, 최대 무게 및 반복 지연 인지 정책을 일반화한다.
• 대역폭, 최대 전력 및 전력 스펙트럼 밀도(PSD) 제약 조건이 있는 제약 조건이 있는 볼록 최적화 문제로 업링크 자원 할당을 모델링한다.
• 하향 기울기 분석을 적용하여 평탄한 fading 채널에서 반복당 $O(N\text{log}L)$의 복잡도 알고리즘을 유도한다.
• M개의 하향 대역을 가진 주파수 다양성 시스템으로 방법을 확장하여 반복당 $O(N(M^2 + L^2))$의 복잡도를 달성한다.
• 행렬 역행렬 식과 블록 구조 선형 시스템을 활용하여 내부점 방법에서 뉴턴 단계를 효율적으로 해결한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LTE 업링크에서 버퍼 상태 보고서(BSR)만으로 선두 패킷 지연을 정확하게 추정할 수 있는가?
• RQ2 실제 전력 및 대역폭 제약 조건 하에서 비가능도성 볼록 지연 기반 보상 함수를 효율적으로 최적화할 수 있는가?
• RQ3 주파수 평탄 및 주파수 선택적 fading 하에서 지연 인지 스케줄링의 계산 복잡도는 얼마이며, 시스템 크기에 따라 어떻게 증가하는가?
• RQ4 실제 LTE 시스템 조건 하에서 지연 기반 스케줄링이 큐 길이 기반 스케줄링보다 지연 감소 측면에서 더 우수한가?
• RQ5 제안된 프레임워크는 실제 LTE 구현 환경에서 연속적인 RB 할당과 H-ARQ 재전송을 지원하도록 확장될 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 BSR 기반 지연 추정 기법은 낮은 오버헤드로 정확한 지연 추론을 가능하게 하여 명시적 지연 피드백의 필요성을 제거한다.
• 3GPP 준수 시뮬레이션에서 큐 길이 기반 스케줄러에 비해 평균 및 아웃오지 패킷 지연이 크게 감소한 지연 인지 스케줄링 정책을 달성한다.
• 주파수 평탄 fading의 경우 반복당 $O(N\text{log}L)$의 복잡도를 달성하여 많은 사용자 수가 있는 경우에도 빠른 수렴을 가능하게 한다.
• M개의 하향 대역이 있는 주파수 선택적 fading의 경우 복잡도가 $O(N(M^2 + L^2))$로 증가하지만, M과 L이 N에 비해 작을 경우 효율적이다.
• 실제 제약 조건인 최대 전력, 분수 전력 제어 및 연속적인 RB 할당을 지원하여 실제 LTE 시스템에 구현 가능한 프레임워크이다.
• 수치 결과는 기존 반복 정책에 비해 제안된 방법이 특히 고부하 환경에서 지연을 더 효과적으로 감소시킴을 확인한다.