[논문 리뷰] Optimal Joint Routing and Scheduling in Millimeter-Wave Cellular Networks

Dingwen Yuan, Hsuan-Yin Lin외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 11.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 23인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 매칭 이론을 사용하여 밀리미터파 무선국 간의 라우팅과 스케줄링을 공동 최적화하는 스케줄 기반 최적화 프레임워크를 제안한다. 이는 밀리미터파 셀룰러 네트워크에서 최대의 스루풋 공정성을 달성한다. 200개 이상의 mmWave 기지국을 포함한 네트워크에서 최적 성능를 달성하며, 정확한 방법보다 5~100배 빠른 빠른 엣지 색칠 근사 알고리즘을 도입하여 최적의 최소 스루풋의 80% 이상을 달성한다.

ABSTRACT

Millimeter-wave (mmWave) communication is a promising technology to cope with the expected exponential increase in data traffic in 5G networks. mmWave networks typically require a very dense deployment of mmWave base stations (mmBS). To reduce cost and increase flexibility, wireless backhauling is needed to connect the mmBSs. The characteristics of mmWave communication, and specifically its high directional- ity, imply new requirements for efficient routing and scheduling paradigms. We propose an efficient scheduling method, so-called schedule-oriented optimization, based on matching theory that optimizes QoS metrics jointly with routing. It is capable of solving any scheduling problem that can be formulated as a linear program whose variables are link times and QoS metrics. As an example of the schedule-oriented optimization, we show the optimal solution of the maximum throughput fair scheduling (MTFS). Practically, the optimal scheduling can be obtained even for networks with over 200 mmBSs. To further increase the runtime performance, we propose an efficient edge-coloring based approximation algorithm with provable performance bound. It achieves over 80% of the optimal max-min throughput and runs 5 to 100 times faster than the optimal algorithm in practice. Finally, we extend the optimal and approximation algorithms for the cases of multi-RF-chain mmBSs and integrated backhaul and access networks.

연구 동기 및 목표

• 높은 인프라 비용을 지닌 밀도가 높은 mmWave 셀룰러 네트워크에서 효율적인 백홀 제공 문제를 해결하기 위해.
• 방향성 빔포밍과 간섭 제약 조건을 고려하면서도 스루풋 공정성을 극대화하는 공동 최적화 라우팅 및 스케줄링를 위해.
• 동적 QoS 요구사항을 수용할 수 있는 다항시간 최적 해법을 개발하기 위해.
• 실제 구현에 적합한 성능 보장이 있는 다항시간 근사 알고리즘을 설계하기 위해.
• 다중 RF 체인 mmBS 및 통합 백홀-접근 네트워크를 지원하기 위해 프레임워크를 확장하기 위해.

제안 방법

• 링크 시간와 QoS 지표를 변수로 사용하여 공동 라우팅 및 스케줄링 문제를 선형계획법으로 수식화한다.
• 가능한 스케줄링을 충돌 그래프 내의 매칭으로 모델링하기 위해 매칭 이론을 적용하여 최적화에 매칭 다면체를 활용한다.
• 분離 문제를 최대 가중치 매칭 문제로 환원함으로써 이중 선형계획법을 다항시간 내에 타원체 알고리즘으로 해결한다.
• 충돌 없는 스케줄링 기반으로 시간 슬롯을 링크에 할당하는 엣지 색칠 기반 근사 알고리즘을 개발하여 공간 재사용을 보장한다.
• 순차적 흐름 스케줄링 제약 조건을 피하기 위해 단일 단계 스케줄 기반 최적화를 도입하고 가변 길이 시간 슬롯을 허용한다.
• 충돌 및 용량 모델을 수정함으로써 다중 RF 체인 기지국 및 통합 백홀-접근 네트워크를 지원하기 위해 프레임워크를 확장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀리미터파 백홀 네트워크에서 공동 라우팅 및 스케줄링 문제는 다항시간 내에 해결 가능한 최적화 문제로 공식화될 수 있는가?
• RQ2 빔포밍 및 간섭 제약 조건을 고려하면서도 공정성과 스루풋을 극대화하기 위해 스케줄링을 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ3 대규모 mmWave 네트워크에서 최적 스케줄링과 실용적인 근사 알고리즘 간의 성능 격차는 어떠한가?
• RQ4 이 프레임워크는 다중 RF 체인 기지국 및 통합 백홀-접근 네트워크 아키텍처를 지원하기 위해 어떻게 확장될 수 있는가?
• RQ5 제안된 방법은 대규모 네트워크에서 실행 시간을 크게 줄이며 근사 최적 성능를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 최적의 스케줄 기반 최적화 방법은 타원체 알고리즘을 사용하여 다항시간 내에 최대 스루풋 공정 스케줄링(MTFS) 문제를 해결한다.
• 최적 알고리즘은 최적의 최소 공정성을 달성하며 200개 이상의 mmWave 기지국을 포함한 네트워크에 대해 확장 가능하다.
• 엣지 색칠 기반 근사 알고리즘은 실질적으로 최적의 최소 스루풋의 80퍼센트 이상을 달성한다.
• 근사 알고리즘은 최적 알고리즘 대비 5배에서 100배 빠르게 실행되어 실시간 구현에 적합하다.
• 프레임워크는 동적 QoS 최적화를 지원하며 사전 정의된 라우팅 제약 조건 없이도 최적 경로를 자동으로 결정한다.
• 다중 RF 체인 mmBS 및 통합 백홀-접근 네트워크로의 확장은 핵심 알고리즘의 최적성과 확장 가능성을 유지한다.