[논문 리뷰] Throughput Improvement and Its Tradeoff with The Queuing Delay in the Diamond Relay Networks

Qing Wang, Pingyi Fan외 1명|ArXiv.org|2009. 07. 10.

Cooperative Communication and Network Coding참고 문헌 20인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 다이아몬드 릴레이 네트워크에서 공간 재사용 패턴(SRP)과 수신 증폭 후 재송신 패턴(AFP)을 결합한 하이브리드 릴레이 스케줄링 기법을 제안하며, 버퍼 보조 릴레이를 통해 대역폭을 향상시키고, 이로 인해 대기 지연이 증가하는 대가를 치르지만 성능 향상을 달성한다. 채널 상태와 최적의 전환 임계값을 기반으로 동적으로 모드를 전환함으로써, 최대 30%의 대역폭 향상을 달성하며, G/G/1 대기열 모델을 사용하여 대기 지연과의 상호 교환 관계를 정량적으로 분석한다.

ABSTRACT

Diamond relay channel model, as a basic transmission model, has recently been attracting considerable attention in wireless Ad Hoc networks. Node cooperation and opportunistic scheduling scheme are two important techniques to improve the performance in wireless scenarios. In the paper we consider such a problem how to efficiently combine opportunistic scheduling and cooperative modes in the Rayleigh fading scenarios. To do so, we first compare the throughput of SRP (Spatial Reused Pattern) and AFP (Amplify Forwarding Pattern) in the half-duplex case with the assumption that channel side information is known to all and then come up with a new scheduling scheme. It will that that only switching between SRP and AFP simply does little help to obtain an expected improvement because SRP is always superior to AFP on average due to its efficient spatial reuse. To improve the throughput further, we put forward a new processing strategy in which buffers are employed at both relays in SRP mode. By efficiently utilizing the links with relatively higher gains, the throughput can be greatly improved at a cost of queuing delay. Furthermore, we shall quantitatively evaluate the queuing delay and the tradeoff between the throughput and the additional queuing delay. Finally, to realize our developed strategy and make sure it always run at stable status, we present two criteria and an algorithm on the selection and adjustment of the switching thresholds.

연구 동기 및 목표

• 시간에 따라 변하는 레이일라이 페이딩과 병목 링크로 인해 발생하는 다이아몬드 릴레이 네트워크의 대역폭 제한 문제를 해결하기 위해.
• 기회적 스케줄링과 협동 릴레이 모드(SRP 및 AFP)를 융합할 경우 상당한 성능 향상이 이루어지는지 조사하기 위해.
• 릴레이에서 버퍼 저장 기능을 활용하여 양호한 채널 상태를 이용하고 전체 시스템 대역폭을 향상시키기 위한 하이브리드 릴레이 전략을 설계하기 위해.
• 제안된 기법에서 도입된 대기 지연과 대역폭 향상 사이의 상호 교환 관계를 정량적으로 분석하기 위해.
• 안정적이고 효율적인 운영을 보장하기 위해 최적의 전환 임계값 선택 기준과 알고리즘을 수립하기 위해.

제안 방법

• 순간적인 채널 상태 정보에 기반하여 SRP(해독-후-전송)와 AFP(증폭-후-전송) 간에 동적으로 전환하는 하이브리드 릴레이 모드를 제안한다.
• SRP 모드에서 두 릴레이 노드에 버퍼 저장 기능을 도입하여 양호한 채널 조건 동안 패킷을 저장하고 전송함으로써 공간 재사용과 대역폭을 향상시킨다.
• 이산적 채널 이득 수준을 가진 유한 상태 마르코프 체인으로 시스템을 모델링하고, 최대 유량 최소 잘림 정리(Min-Cut)를 사용하여 대역폭 식을 유도한다.
• 버퍼 사용으로 인해 발생하는 추가 대기 지연을 분석적으로 정량화하기 위해 G/G/1 대기열 모델을 사용한다.
• 전환 임계값 U와 u의 선택에 따라 달라지는 대역폭 향상 지표 Ψ(U,u)를 유도한다. 여기서 U와 u는 모드 전환을 위한 채널 이득 임계값을 나타낸다.
• 대역폭을 극대화하면서 지연을 관리하기 위해 전환 임계값을 선택하고 조정하기 위한 최적화 알고리즘과 두 가지 안정성 기준을 개발한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레이일라이 페이딩 조건 하에서 다이아몬드 릴레이 네트워크에서 SRP 및 AFP 모드 간의 기회적 스케줄링이 대역폭 향상에 상당한 기여를 할 수 있는가?
• RQ2 협동 네트워크에 버퍼 보조 릴레이를 도입할 경우, 대역폭 향상과 대기 지연 사이의 근본적인 상호 교환 관계는 무엇인가?
• RQ3 채널 상태의 변동에도 불구하고 단순히 SRP와 AFP 간 전환만으로는 왜 성능 향상이 제한적인가?
• RQ4 대역폭 향상을 극대화하면서 시스템 안정성을 유지하기 위해 전환 임계값(U, u)을 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ5 버퍼 보조 하이브리드 릴레이 시스템에서 대역폭과 지연의 상호 교환 관계를 정확히 반영할 수 있는 분석 모델은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 버퍼 보조 하이브리드 기법은 채널 조건 및 임계값 설정에 따라 기존의 단일 SRP 또는 AFP 방식 대비 최대 30%의 대역폭 향상을 달성한다.
• 단순히 SRP와 AFP 간 전환만으로는 성능 향상이 미미한데, 이는 SRP가 공간 재사용 효율이 높아 평균적으로 우수하기 때문이다. 따라서 성능 향상을 위한 효과적인 수단이 되지 못한다.
• 버퍼를 갖춘 릴레이의 도입은 고이득 링크를 더 효과적으로 활용할 수 있게 하여, 대기 지연이 증가하는 대가를 치르더라도 유효 대역폭을 크게 증가시킨다.
• 대기 지연은 G/G/1 대기열 시스템을 사용하여 정량적으로 모델링되어, 다양한 트래픽 및 채널 조건에서의 지연 상호 교환 관계를 정밀하게 분석할 수 있다.
• 최적의 전환 임계값(U, u)은 대역폭 향상을 극대화하며, U를 감소시키고 u를 증가시키면 더 높은 성능 향상이 이루어짐을 분석적으로 입증하였다.
• 유도된 향상 지표 Ψ(U,u)는 U가 증가함에 따라 엄격히 감소하고, u가 감소함에 따라도 엄격히 감소함을 증명하여 전환 임계값 선택의 최적화 기준을 검증하였다.