[论文解读] Beam-searching and Transmission Scheduling in Millimeter Wave Communications

Hossein Shokri‐Ghadikolaei, Lazaros Gkatzikis+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2015

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 11被引用 12

一句话总结

本文提出了一种毫米波网络中的联合波束宽度选择与传输调度框架，通过解决波束对准-吞吐量权衡问题，以最大化频谱效率。通过采用与波束宽度相关的增益来建模干扰，并使用在干扰保护与频谱复用之间取得平衡的近似算法，该方法在符合当前毫米波协议的前提下，实现的吞吐量比现有标准高出最多100%。

ABSTRACT

Millimeter wave (mmW) wireless networks are capable to support multi-gigabit data rates, by using directional communications with narrow beams. However, existing mmW communications standards are hindered by two problems: deafness and single link scheduling. The deafness problem, that is, a misalignment between transmitter and receiver beams, demands a time consuming beam-searching operation, which leads to an alignment-throughput tradeoff. Moreover, the existing mmW standards schedule a single link in each time slot and hence do not fully exploit the potential of mmW communications, where directional communications allow multiple concurrent transmissions. These two problems are addressed in this paper, where a joint beamwidth selection and power allocation problem is formulated by an optimization problem for short range mmW networks with the objective of maximizing effective network throughput. This optimization problem allows establishing the fundamental alignment-throughput tradeoff, however it is computationally complex and requires exact knowledge of network topology, which may not be available in practice. Therefore, two standard-compliant approximation solution algorithms are developed, which rely on underestimation and overestimation of interference. The first one exploits directionality to maximize the reuse of available spectrum and thereby increases the network throughput, while imposing almost no computational complexity. The second one is a more conservative approach that protects all active links from harmful interference, yet enhances the network throughput by 100% compared to the existing standards. Extensive performance analysis provides useful insights on the directionality level and the number of concurrent transmissions that should be pursued. Interestingly, extremely narrow beams are in general not optimal.

研究动机与目标

• 解决现有标准中因盲区和单链路调度导致的毫米波网络波束对准-吞吐量权衡问题。
• 针对短距离毫米波网络，联合优化波束宽度选择与传输调度，以最大化有效网络吞吐量。
• 开发计算高效且可扩展的标准兼容近似算法，即使在缺乏完整网络拓扑信息的情况下也能适用。
• 表征波束宽度、方向性以及并发传输对频谱效率和干扰的影响。
• 为实际毫米波部署提供关于最优波束宽度和并发链路数量的设计洞见。

提出的方法

• 建立联合波束宽度与功率分配优化问题，以在干扰和对准约束下最大化网络吞吐量。
• 使用发射端与接收端波束宽度乘积（φᵢᵗφᵢʳ）建模干扰，捕捉对SINR产生影响的方向性增益效应。
• 推导出一种简化的吞吐量近似模型，当波束宽度较窄且对准较差时，非对准链路的干扰可忽略不计。
• 提出两种近似算法：一种通过低估干扰来最大化频谱复用；另一种通过高估干扰来确保完全的干扰保护。
• 通过解析推导证明吞吐量函数具有唯一最大值，从而支持高效优化。
• 通过在真实参数（如ψᵢᵗ = ψᵢʳ = π/2 和 z = 0.1）下的性能分析验证模型，确认近似模型的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在毫米波通信中，波束对准开销与可实现数据速率之间的基本权衡是什么？
• RQ2 如何联合优化波束宽度选择与并发传输调度，以最大化网络频谱效率？
• RQ3 能否使用与波束宽度相关的增益乘积准确建模干扰？
• RQ4 标准兼容的近似算法在无需完整网络拓扑信息的情况下，能否实现显著的吞吐量增益？
• RQ5 在实际毫米波场景中，何种波束宽度与并发水平可实现最优性能？

主要发现

• 最优波束宽度并非极度狭窄；过窄的波束会增加对准开销，但不会带来成比例的速率增益。
• 所提出的低估干扰的近似算法通过最大化频谱复用，在计算成本极低的情况下显著提升了网络吞吐量。
• 保守型算法通过高估干扰，使吞吐量相比现有标准提升100%，同时确保所有活跃链路均受到保护。
• 吞吐量函数具有唯一最大值，证实了在给定约束下，每个链路均存在唯一的最优波束宽度。
• 对于真实参数（如ψᵢᵗ = ψᵢʳ = π/2，z = 0.1），干扰项S₂相比S₁可忽略不计，验证了简化吞吐量模型的合理性。
• 模型证实波束宽度显著影响干扰水平，且在波束宽度得到合理管理时，并发传输是可行的。