[论文解读] Coalition Game based Full-duplex Concurrent Scheduling in Millimeter Wave Wireless Backhaul Network

Haiyan Jiang, Yong Niu+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2019

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 18被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于联盟博弈的全双工并发调度算法（FDCG），用于毫米波无线回传网络，以最大化满足服务质量（QoS）要求的流数量。通过将并发调度建模为联盟博弈以最大化每个时隙的和速率，FDCG在完成流数量和系统吞吐量方面均优于TDMA、SFD和STDMA，尤其在中等自干扰消除和多用户干扰水平下表现更优。

ABSTRACT

With the development of self-interference (SI) cancelation technology, full-duplex (FD) communication becomes possible. FD communication can theoretically double the spectral efficiency. When the time slot (TS) resources are limited and the number of flows is large, the scheduling mechanism of the flows becomes more important. Therefore, the effectiveness of FD scheduling mechanism for the flows is studied in millimeter wave wireless backhaul network with the limited TS resources. We proposed a full duplex concurrent scheduling algorithm based on coalition game (FDCG) to maximize the number of flows with their QoS requirements satisfied. We transformed the problem of maximizing the number of flows with their QoS requirements satisfied into the problem of maximizing sum rate of concurrently scheduled flows in each slot. We obtained the scheduled flows with maximum sum rate in first slot by using coalition game.And then with certain restrictions, the maximum sum rate of concurrently scheduled flows can also be achieved in subsequent time slots. The simulation results show that the proposed FDCG algorithm can achieve superior performance in terms of the number of flows that meet their QoS requirements and system throughput compared with other three algorithms.

研究动机与目标

• 解决在时隙受限的毫米波无线回传网络中，最大化满足QoS要求的完成流数量的挑战。
• 克服以往半双工和贪婪全双工调度方案在QoS或系统吞吐量优化方面的局限性。
• 利用全双工通信与自干扰消除技术，将毫米波回传的频谱效率提升一倍。
• 设计一种调度机制，动态选择并发流集合，以最大化每个时隙的和速率，同时满足QoS约束。
• 提升密集毫米波小细胞回传场景下的资源利用率和系统容量。

提出的方法

• 将并发调度问题建模为联盟博弈，使流通过形成联盟以最大化同时调度传输的和速率。
• 使用联盟形成算法在每个时隙中识别稳定且高吞吐量的流集合，确保任意流无法通过切换联盟来提升其速率。
• 将最大化完成流数量的目标转化为最大化每个时隙的和速率，利用全双工操作将频谱效率提升一倍。
• 施加对残留自干扰和多用户干扰（MUI）的约束，以模拟真实的全双工工作条件。
• 在每个时隙中迭代调度和速率最高的联盟，移除已完成的流并更新可用流集合。
• 采用博弈论方法避免贪婪选择，从而相比启发式方法，实现更好的长期流完成率和吞吐量。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在毫米波回传网络中有效利用全双工通信，以提升系统吞吐量和流完成率？
• RQ2 与贪婪或半双工调度相比，基于联盟博弈的调度方法在QoS感知的流完成率和和速率方面优势有多大？
• RQ3 残留自干扰（RSI）和多用户干扰（MUI）对全双工调度算法性能有何影响？
• RQ4 在时隙受限的毫米波回传网络中，调度高码率流时，调度效率与QoS要求之间的权衡是什么？
• RQ5 在全双工毫米波回传中，博弈论方法能否实现比STDMA、SFD和TDMA等现有算法更好的资源利用率？

主要发现

• 当MUI因子为0.05时，FDCG算法完成的流数量比STDMA高出61.53%。
• 在QoS要求为4 Gbps时，FDCG在高码率需求下仍保持比SFD、STDMA和TDMA更高的完成流数量，表现出良好的鲁棒性。
• FDCG下的系统吞吐量在QoS要求不断提升时仍稳定在约30 Gbps，表明在高需求下性能退化极小。
• 在750至1500个时隙范围内，FDCG在流完成率和系统吞吐量方面均优于SFD和STDMA，且和速率增益最高。
• 在高残留自干扰（β > 10⁴）条件下性能下降，但FDCG仍优于SFD，并在β达到10⁵之前与STDMA保持性能差距。
• 超过1500个时隙后，算法表现出收益递减现象，表明过多时隙会因次优联盟形成而降低吞吐量增益。