[논문 리뷰] Hybrid Scheduling in Heterogeneous Half- and Full-Duplex Wireless Networks

Tingjun Chen, Jelena Diakonikolas외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 03.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 28인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 이면형 무선 네트워크에서 이종성 있는 하프드플렉스(HD) 및 패러드플렉스(FD) 장치를 지원하는 분산 스케줄링 알고리즘인 Hybrid-GMS(H-GMS)를 제안한다. H-GMS는 액세스 포인트에서 중심집중형 게으른 최대 스케줄링(GMS)을 활용하고, 사용자 측에서는 분산 기반의 큐 기반 무작위 접근을 통합한다. H-GMS는 유량 최적성(throughput optimality)을 달성하면서도 기존의 Q-CSMA 대비 지연과 공정성에서 뚜렷한 향상을 이룬다. 최적의 가중치 함수를 사용할 경우 고부하 상황에서 평균 큐 길이를 최대 79.2배까지 단축시킨다.

ABSTRACT

Full-duplex (FD) wireless is an attractive communication paradigm with high potential for improving network capacity and reducing delay in wireless networks. Despite significant progress on the physical layer development, the challenges associated with developing medium access control (MAC) protocols for heterogeneous networks composed of both legacy half-duplex (HD) and emerging FD devices have not been fully addressed. Therefore, we focus on the design and performance evaluation of scheduling algorithms for infrastructure-based heterogeneous HD-FD networks (composed of HD and FD users). We first show that centralized Greedy Maximal Scheduling (GMS) is throughput-optimal in heterogeneous HD-FD networks. We propose the Hybrid-GMS (H-GMS) algorithm, a distributed implementation of GMS that combines GMS and a queue-based random-access mechanism. We prove that H-GMS is throughput-optimal. Moreover, we analyze the delay performance of H-GMS by deriving lower bounds on the average queue length. We further demonstrate the benefits of upgrading HD nodes to FD nodes in terms of throughput gains for individual nodes and the whole network. Finally, we evaluate the performance of H-GMS and its variants in terms of throughput, delay, and fairness between FD and HD users via extensive simulations. We show that in heterogeneous HD-FD networks, H-GMS achieves 16-30x better delay performance and improves fairness between HD and FD users by up to 50% compared with the fully decentralized Q-CSMA algorithm.

연구 동기 및 목표

• 기존의 하프드플렉스(HD) 장치와 새로운 패러드플렉스(FD) 장치가 혼재된 이종 네트워크에서 중계 제어(MAC) 프로토콜을 설계하는 데 도전하는 것.
• 유량 최적성을 유지하면서도 HD-FD 네트워크에서 지연과 공정성을 향상시키는 분산 스케줄링 알고리즘을 개발하는 것.
• HD 노드를 FD 노드로 업그레이드할 경우 네트워크 용량 및 사용자 공정성 측면에서 성능 향상 여부를 평가하는 것.
• 중앙집중형 GMS와 분산형 무작위 접근을 융합한 방식이 완전히 분산된 Q-CSMA보다 뛰어난 지연 성능을 보일 수 있음을 입증하는 것.

제안 방법

• 액세스 포인트(AP)에서 중심집중형 GMS를 활용해 다운링크 큐를 해결하고, 사용자 측에서는 분산 컨텐션을 통해 업링크 액세스를 수행하는 분산 알고리즘인 Hybrid-GMS(H-GMS)를 제안한다.
• 유체 극한 분석을 통해 H-GMS가 GMS를 유체 극한에서 근사함을 증명함으로써, H-GMS가 최대 가중치 스케줄링(MWS)과 동일하지 않더라도 유량 최적성임을 입증한다.
• 전송 확률을 제어하기 위해 가중치 함수 f(x)의 가족을 도입하며, p_l(t) = exp(f(Q_l(t))) / (1 + exp(f(Q_l(t)))) 형태로 정의하여 공격성과 지연 성능를 조절한다.
• 중심화 정도를 다르게 한 H-GMS의 변종(예: H-GMS-E)을 설계하여 공정성-효율성 트레이드오프를 연구한다.
• H-GMS의 지연 성능를 분석적으로 평가하기 위해 평균 큐 길이의 하한을 유도한다.
• 다양한 트래픽 부하, 가중치 함수, 네트워크 구성 조건에서 H-GMS와 Q-CSMA를 비교하기 위해 광범위한 시뮬레이션을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중앙집중형 GMS와 분산형 무작위 접근을 융합한 하이브리드 스케줄링 방식이 이종 HD-FD 네트워크에서 유량 최적성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 특히 고부하 상황에서 H-GMS의 지연 성능은 기존의 Q-CSMA 대비 어떻게 다를까?
• RQ3 다양한 가중치 함수 f(x)가 H-GMS의 지연과 공정성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 FD 사용자 수가 HD-FD 네트워크에서 공정성과 유량 증가에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 H-GMS는 Q-CSMA 대비 HD 사용자와 FD 사용자 간의 공정성에 얼마나 향상시키는가?

주요 결과

• H-GMS는 최대 가중치 스케줄링(MWS)과 동일하지 않지만, 유체 극한에서 게으른 최대 스케줄링(GMS)을 근사함으로써 이종 HD-FD 네트워크에서 유량 최적성을 달성한다.
• 선형 가중치 함수 f(x)=x를 사용할 경우, 고부하 상황(ρ=0.98)에서 H-GMS는 Q-CSMA 대비 평균 큐 길이를 최대 79.2배까지 단축시킨다.
• 로그형 가중치 함수 f(x)=½log(1+x)를 사용할 경우, 중간 부하(ρ=0.8) 상황에서도 H-GMS는 지연을 1.2배 향상시키며, 고부하 상황에서는 최대 52.8배의 개선 효과를 보인다.
• H-GMS는 Q-CSMA 대비 HD 사용자와 FD 사용자 간의 공정성을 최대 50% 향상시키며, H-GMS-E는 FD 사용자 수와 관계없이 가장 뛰어난 공정성을 달성한다.
• 가중치 함수의 공격성이 높을수록 H-GMS의 지연 개선 효과가 커지며, 비선형 함수(f(x)=√x)와 선형 함수(f(x)=x)는 로그형 함수보다 지연 성능을 10–20배 더 우수하게 유지한다.
• 성능 향상은 특히 고부하 상황에서 두드러지며, f(x)=x를 사용할 경우 ρ=0.98에서 H-GMS는 Q-CSMA 대비 평균 큐 길이를 9.8배 단축시킨다.