[논문 리뷰] Throughput Optimal Decentralized Scheduling with Single-bit State Feedback for a Class of Queueing Systems

Avinash Mohan, Aditya Gopalan외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 19.

Advanced Wireless Network Optimization참고 문헌 38인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 단일 비트 대기열 상태 피드백(공백/비공백)만을 사용하여 무선 IoT 네트워크의 스루풋 최적, 분산형 스케줄링 정책을 제안한다. 큐 비어있음 기반(QNB) 정책과 정책 스플리팅 기법을 도입하여 최소한의 정보로 최적 성능를 달성하며, N ≥ 4일 때는 단일 비트 피드백만으로는 합대기열 길이 최적성이 이룰 수 없음을 증명한다. 반면 선형 배열과 클러스터의 별 모양 구조를 가진 간섭 그래프에서는 안정성과 낮은 지연을 보인다.

ABSTRACT

Motivated by medium access control for resource-challenged wireless Internet of Things (IoT), we consider the problem of queue scheduling with reduced queue state information. In particular, we consider a time-slotted scheduling model with $N$ sensor nodes, with pair-wise dependence, such that Nodes $i$ and $i + 1,~0 < i < N$ cannot transmit together. We develop new throughput-optimal scheduling policies requiring only the empty-nonempty state of each queue that we term Queue Nonemptiness-Based (QNB) policies. We propose a Policy Splicing technique to combine scheduling policies for small networks in order to construct throughput-optimal policies for larger networks, some of which also aim for low delay. For $N = 3,$ there exists a sum-queue length optimal QNB scheduling policy. We show, however, that for $N > 4,$ there is no QNB policy that is sum-queue length optimal over all arrival rate vectors in the capacity region. We then extend our results to a more general class of interference constraints that we call cluster-of-cliques (CoC) conflict graphs. We consider two types of CoC networks, namely, Linear Arrays of Cliques (LAoC) and Star-of-Cliques (SoC) networks. We develop QNB policies for these classes of networks, study their stability and delay properties, and propose and analyze techniques to reduce the amount of state information to be disseminated across the network for scheduling. In the SoC setting, we propose a throughput-optimal policy that only uses information that nodes in the network can glean by sensing activity (or lack thereof) on the channel. Our throughput-optimality results rely on two new arguments: a Lyapunov drift lemma specially adapted to policies that are queue length-agnostic, and a priority queueing analysis for showing strong stability.

연구 동기 및 목표

• 자원 제약이 있는 IoT 네트워크를 위한 분산형 스케줄링 정책을 설계한다. 이때 최소한의 대기열 상태 피드백을 사용한다.
• 쌍방향 간섭 제약이 있는 대기열 시스템의 클래스에서, 공백/비공백 상태 정보(단일 비트 피드백)만을 사용하여 스루풋 최적성을 달성한다.
• 결과를 일반화된 클러스터의 클러스터(CoC) 간섭 그래프로 확장한다. 선형 배열과 별 모양의 클러스터를 포함한다.
• 제한된 정보 전파 조건 하에서 제안된 정책의 안정성과 지연 성능을 분석한다.
• 완전한 대기열 길이 지식 없이도 또는 항상 간섭하지 않는 비어있지 않은 큐의 최대 수를 스케줄링하지 않더라도 최적 성능를 달성할 수 있는지 확인한다.

제안 방법

• 각 대기열의 이진 상태(공백 또는 비공백)만을 사용하는 큐 비어있음 기반(QNB) 스케줄링 정책을 개발한다.
• 작은 네트워크의 정책을 조합하여 더 큰 네트워크의 스루풋 최적 정책을 만드는 데 사용하는 정책 스플리팅 기법을 도입한다.
• 대기열 길이 무관 정책에 특화된 새로운 라플라스 드리프트 보조정리를 사용하여 안정성과 스루풋 최적성을 증명한다.
• 우선순위 대기열 분석을 활용하여 제안된 정책 하에서 강한 안정성을 확립한다.
• 선형 클러스터 배열(LAoC)과 별 모양 클러스터(소C)를 포함한 클러스터의 클러스터(CoC) 네트워크로 결과를 확장하며, 맞춤형 QNB 정책을 적용한다.
• SoC 네트워크에서 채널 감지 기반 정책을 제안하여 명시적 상태 교환 없이도 구현 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 쌍방향 간섭 제약이 있는 네트워크에서 단일 비트(공백/비공백) 피드백만으로 스루풋 최적 스케줄링을 달성할 수 있는가?
• RQ2 이러한 시스템에서 N ≥ 4일 때는 단일 비트 피드백만으로도 합대기열 길이 최적성이 달성 가능한가?
• RQ3 작은 네트워크의 정책들을 어떻게 조합하여 더 큰 네트워크의 스루풋 최적 정책을 구성할 수 있는가?
• RQ4 LAoC와 SoC와 같은 구조적 간섭 그래프에서 QNB 정책의 안정성과 지연 특성은 어떠한가?
• RQ5 항상 간섭하지 않는 비어있지 않은 큐의 최대 수를 스케줄링하지 않더라도 스루풋 최적성을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• N = 3일 경우, 공백/비공백 피드백만으로도 합대기열 길이 최적 정책가 존재한다.
• N ≥ 4일 경우, 공백/비공백 상태만을 사용하는 어떤 스케줄링 정책도 용량 영역 내 모든 비율 벡터에서 합대기열 길이 최적이 될 수 없다.
• 제안된 QNB 정책는 선형 클러스터 배열(LAoC)과 별 모양 클러스터(소C) 네트워크 모두에서 스루풋 최적성을 달성한다.
• SoC 네트워크에서는 명시적 상태 교환 없이도 채널 활동 감지에 의존하는 스루풋 최적 정책를 구현할 수 있다.
• 정책 스플리팅 기법을 통해 작은 블록들로부터 더 큰 네트워크의 스루풋 최적 정책를 구성할 수 있다.
• 대기열 길이에 무관한 정책에 적합한 새로운 라플라스 드리프트 추론을 통해 안정성을 증명하였으며, 이는 양의 재시행성과 강한 안정성을 보장한다.