[논문 리뷰] Integrating Sub-6 GHz and Millimeter Wave to Combat Blockage: Delay-Optimal Scheduling

Guidan Yao, Morteza Hashemi외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 04.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 22인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 블로킹으로 인한 장애를 완화하기 위해 sub-6 GHz 및 밀리미터파(mmWave) 라디오를 통합하는 지연 최적의 스케줄링 정책을 제안한다. 시스템을 마르코프 결정 과정(MDP)으로 모델링하여, 큐 길이가 임계 임계값 이하일 때만 패킷을 mmWave로 라우팅하는 임계값 기반 정책이 할인 지연과 평균 지연을 모두 최소화함을 증명한다. 기준 정책 대비 평균 지연을 최대 70% 감소시킨다.

ABSTRACT

Millimeter wave (mmWave) technologies have the potential to achieve very high data rates, but suffer from intermittent connectivity. In this paper, we provision an architecture to integrate sub-6 GHz and mmWave technologies, where we incorporate the sub-6 GHz interface as a fallback data transfer mechanism to combat blockage and intermittent connectivity of the mmWave communications. To this end, we investigate the problem of scheduling data packets across the mmWave and sub-6 GHz interfaces such that the average delay of system is minimized. This problem can be formulated as Markov Decision Process. We first investigate the problem of discounted delay minimization, and prove that the optimal policy is of the threshold-type, i.e., data packets should always be routed to the mmWave interface as long as the number of packets in the system is smaller than a threshold. Then, we show that the results of the discounted delay problem hold for the average delay problem as well. Through numerical results, we demonstrate that under heavy traffic, integrating sub-6 GHz with mmWave can reduce the average delay by up to 70%. Further, our scheduling policy substantially reduces the delay over the celebrated MaxWeight policy.

연구 동기 및 목표

• 인간의 몸체나 장애물로 인한 임계적인 mmWave 연결 끊김 문제를 해결하기 위해.
• sub-6 GHz 백업 링크를 통합함으로써 mmWave 네트워크에서의 시스템 지연을 줄일 수 있는지 조사하기 위해.
• sub-6 GHz 및 mmWave 인터페이스 전반의 평균 지연을 최소화하는 능동적인 스케줄링 정책을 설계하기 위해.
• 할인 지연과 평균 지연 최소화를 위한 임계값 유형 정책의 최적성 증명하기 위해.

제안 방법

• mmWave 및 sub-6 GHz 인터페이스의 큐 길이로 정의된 상태 공간을 갖는 마르코프 결정 과정(MDP)으로 스케줄링 문제를 수식화한다.
• 가치 반복을 사용하여 최적 정책의 구조적 성질을 도출하고, 비용-지출 함수의 단조성과 볼록성을 보여준다.
• 전체 큐 점유도 기반으로 시스템 상태를 병합함으로써 4차원 상태 공간을 3차원 상태 공간으로 축소한다.
• 최적 정책이 임계값 유형임을 증명한다: mmWave 큐 길이가 임계값 이하일 때만 mmWave로 라우팅한다.
• 구조적 분석과 수렴 추론을 활용하여 할인 지연 최소화 결과를 평균 지연 최소화로 확장한다.
• 동적 프로그래밍과 재귀 부등식을 활용하여 다양한 시스템 조건 하에서 임계값 정책의 최적성 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블로킹으로 인한 장애가 발생하는 mmWave 네트워크에서 sub-6 GHz를 백업 링크로 통합하면 시스템 지연을 줄일 수 있는가?
• RQ2 sub-6 GHz 및 mmWave 인터페이스 전반의 평균 지연을 최소화하는 최적의 스케줄링 정책은 무엇인가?
• RQ3 할인 지연 최소화를 위한 최적 정책이 이 하이브리드 시스템에서 평균 지연 최소화에도 최적인가?
• RQ4 최적 정책이 큐 길이 기반의 임계값 구조를 보이는가?
• RQ5 제안된 정책은 지연 성능 측면에서 잘 알려진 MaxWeight 정책과 비교해 어떻게 되는가?

주요 결과

• 지연 최소화를 위한 최적 스케줄링 정책은 임계값 유형이다: mmWave 큐 길이가 특정 임계값 이하일 때만 패킷을 mmWave로 라우팅해야 한다.
• 임계값 정책은 할인 지연 뿐만 아니라 평균 지연 최소화에도 최적임을 입증하여 실용적 적용 가능성을 넓힌다.
• 수치 결과에 따르면, 제안된 정책은 비통합 또는 반응형 기반 정책 대비 고밀도 트래픽 상황에서 평균 지연을 최대 70% 감소시킨다.
• Throughput 성능는 MaxWeight 정책과 유사하게 유지하면서 지연 감소 측면에선 뚜렷이 슈퍼리어하다.
• mmWave로 라우팅하는 데 드는 비용은 전체 시스템 부하가 증가할수록 증가하므로, 고밀도 트래픽 상황에서 임계값 정책의 타당성이 높아진다.
• 구조적 증명 결과, 시스템이 경량 부하일 때는 mmWave를 우선순위로 활용하고, mmWave가 혼잡하거나 차단될 경우에만 sub-6 GHz로 이관하는 것이 최적임을 확인했다.