[논문 리뷰] Scheduling Policies for the LTE Downlink Channel: A Performance Comparison

Mattia Carpin, Andréa Zanella외 4명|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 30.

Advanced Wireless Network Optimization참고 문헌 19인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 LTE 다운링크를 위한 공정한 스루풋 보장을 보장하는 스케줄러(FTGS)를 제안하고 평가한다. 이는 장기적으로 모든 사용자에게 동일한 스루풋을 보장하면서도, 순간적인 채널 변동을 활용하여 세포 용량을 증가시킨다. 연구에서는 ns-3 시뮬레이션을 통해 시간분할(TD) 및 주파수분할(FD) 모드에서의 FTGS를 비교 분석하였으며, 주파수선택적 fading 환경에서 FD-FTGS가 특히 채널 분산이 높을 경우 성능 향상이 뚜렷하다는 것을 확인하였다.

ABSTRACT

A key feature of the packet scheduler in LTE system is that it can allocate resources both in the time and frequency domain. Furthermore, the scheduler is acquainted with channel state information periodically reported by user equipments either in an aggregate form for the whole downlink channel, or distinguished for each available subchannel. This mechanism allows for wide discretion in resource allocation, thus promoting the flourishing of several scheduling algorithms, with different purposes. It is therefore of great interest to compare the performance of such algorithms in different scenarios. A very common simulation tool that can be used for this purpose is ns-3, which already supports a set of well known scheduling algorithms for LTE downlink, though it still lacks schedulers that provide throughput guarantees. In this work we contribute to fill this gap by implementing a scheduling algorithm that provides long-term throughput guarantees to the different users, while opportunistically exploiting the instantaneous channel fluctuations to increase the cell capacity. We then perform a thorough performance analysis of the different scheduling algorithms by means of extensive ns-3 simulations, both for saturated UDP and TCP traffic sources. The analysis makes it possible to appreciate the difference among the scheduling algorithms, and to assess the performance gain, both in terms of cell capacity and packet service time, obtained by allowing the schedulers to work on the frequency domain.

연구 동기 및 목표

• ns-3에서 LTE 다운링크 시뮬레이션을 위한 스루풋 보장 기능을 갖춘 스케줄러가 부족한 문제를 해결하기 위해.
• 기존의 시간분할(TD) 모드에서의 공정한 스루풋 보장 스케줄러(FTGS)를 주파수분할(FD) 모드로 확장하여 자원 할당의 유연성을 향상시키기 위해.
• 다양한 트래픽 및 채널 조건 하에서 MTS, BETS, PFS와 같은 기존 스케줄러와의 성능 비교를 통해 FTGS(TD 및 FD 모드)의 성능을 평가하기 위해.
• 빠른 및 느린 fading 환경에서의 스케줄링 간격 분석을 통해 스케줄링 정밀도가 지연 민감 응용에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• LTE 다운링크 스케줄링에서 스펙트럼 효율성, 공정성, 스루풋 보장 간의 상호 상충 관계를 정량화하기 위해.

제안 방법

• ns-3 LTE 시뮬레이터에 주파수 도메인 자원 할당을 지원하기 위해 새로운 FD 방식의 공정한 스루풋 보장 스케줄러(FTGS)를 구현하였다.
• 각 서브채널 단위로 보고된 채널 상태 정보(CSI)를 사용하여 주파수 선택적 스케줄링을 구현함으로써 스펙트럼 효율성을 향상시켰다.
• 스루풋과 공정성의 균형을 확보하기 위해 스케줄링 지표 $ S_i = \alpha_i \cdot \bar{\gamma}_i / \bar{\gamma} $ 를 정의하였으며, 여기서 $ \alpha_i $ 는 공정성 조정을 위한 계수이고 $ \bar{\gamma}_i $ 는 평균 SINR이다.
• 순서 통계 및 베이즈 정리에 기반하여 액세스 확률 $ p(i) $ 를 유도함으로써 장기적으로 모든 사용자 간 스루풋이 동일하도록 보장하였다.
• 독립 동일분포(i.i.d.)인 $ b_k $ 와 균일한 초과 비트를 가정하여, 데이터링크 계층(DLL) 서비스 시간 $ D $ 의 평균과 분산을 inter-scheduling time $ \delta_k $ 와 전송 비트 $ b_k $ 를 기반으로 추정하였다.
• BETS의 장기적 스루풋을 모델링하기 위해 정적 적분 함수 $ E_i(x) $ 를 사용하여 스펙트럼 효율성의 분석적 비교를 가능하게 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FD-FTGS 스케줄러의 성능은 MTS, BETS, PFS와 같은 기존 LTE 스케줄러와 비교해 볼 때 세포 용량과 공정성 측면에서 어떻게 다를까?
• RQ2 주파수선택적 fading 채널에서 주파수 도메인 스케줄링(FD)이 시간 도메인 스케줄링(TD)보다 성능 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 TD-FTGS 및 기타 스케줄러와 비교해 볼 때 FD-FTGS 스케줄러는 지연 민감 응용의 스펙트럼 효율성 향상과 지연 감소에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 빠른 및 느린 fading 환경에서 FTGS, BETS, PFS의 inter-scheduling time은 어떻게 달라지며, 이는 지연 민감 응용에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 Rayleigh fading 조건 하에서 BETS 스케줄러의 분석적 스펙트럼 효율성은 얼마이며, 시뮬레이션 설정에서 다른 스케줄러와 비교해 볼 때 어떻게 다를까?

주요 결과

• 채널 분산이 높을수록 주파수선택적 fading 채널에서 FD-FTGS는 TD-FTGS에 비해 뚜렷한 성능 향상을 보였다.
• FD-FTGS는 세포 용량과 공정성 사이에 유리한 트레이드오프를 제공하였으며, 공정성 측면에선 MTS를, 스펙트럼 효율성 측면에선 BETS를 능가하였다.
• 제안된 BETS 스루풋에 대한 분석 모델은 정확한 성능 예측을 가능하게 하였으며, 스펙트럼 효율성은 $ \eta_{\text{BETS}} = \frac{N\log_2(e)}{\sum_{i=1}^{N} e^{-\Gamma/\bar{\gamma}_i} \left[ E_i(-\Gamma/\bar{\gamma}_i) \right]^{-1}} $ 로 표현된다.
• DLL 서비스 시간의 평균 $ m_D $ 는 inter-scheduling time $ m_\delta $, 전송 비트 $ m_b $ 와 그 분산을 기반으로 추정되었으며, 이는 지연 분석을 가능하게 하였다.
• Inter-scheduling time 분석 결과, PFS와 FTGS는 BETS보다 더 규칙적인 스케줄링 패턴을 보였으며, 이는 지연 민감 응용에 유리한 영향을 미쳤다.
• 시뮬레이션 결과는 FD 스케줄링이 고속 이동성 환경에서 주파수선택적 fading 조건에서 세포 용량을 최대 25%까지 증가시킴을 확인하였으며, 설계의 트레이드오프가 타당함을 입증하였다.