[论文解读] Integrated Access and Backhaul Optimization for Millimeter Wave Heterogeneous Networks

Yilin Li, Jian Luo+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2019

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 27被引用 17

一句话总结

本文提出一种联合调度与资源分配算法，并结合动态路由方案，应用于具备集成接入与回传（IAB）功能的毫米波异构网络，利用波束成形技术以最大化空间复用增益与数据速率。该方法在低延迟下实现接近理论最优的性能，支持灵活的上下行时隙分配，并增强半双工与全双工通信模式下的点对点及点对多点通信性能。

ABSTRACT

By allowing a large number of links to be simultaneously transmitted, directional antenna arrays with beamforming have been envisioned as a promising candidate to reach unprecedented levels of spatial isolation. To achieve the high efficiency of spatial reuse in improving system performance, an optimization problem that maximizes the achievable data rate of a multihop heterogeneous network, which incorporates the concept of integrated access and backhaul and supports both downlink and uplink transmissions on access and backhaul links, is formulated. The optimization problem is then systematically decomposed and demonstrated as NP-hard, and a heuristic joint scheduling and resource allocation algorithm is proposed to maximize the achievable data rate. In addition, an efficient dynamic routing algorithm is proposed to further enhance the data rate. With extensive system-level simulations, it is demonstrated that the proposed algorithms achieve significant gain over benchmark schemes, in terms of data rate, and closely approach the theoretical optimum, yet with lower latency. Besides, the proposed algorithms enable a flexible adjustment of downlink and uplink transmission duration allocation and support both half- and full-duplex modes with considerable performance enhancement. In particular, the proposed algorithms are capable of fulfilling different performance requirements for both point-to-point and point-to-multipoint communications.

研究动机与目标

• 为解决在回传链路为无线且易受阻塞与路径损耗影响的毫米波异构网络中，最大化数据速率的挑战。
• 通过联合调度传输与资源分配，在考虑波束成形与干扰约束的前提下，优化多跳毫米波网络中的空间复用增益。
• 设计一种动态路由算法，根据实时网络负载与流量变化自适应调整，以进一步提升数据速率。
• 支持灵活的下行/上行时隙分配，以及适用于多样化通信场景的半双工与全双工操作。

提出的方法

• 建立一个NP难的优化问题，以在具有下行与上行传输的多跳毫米波IAB异构网络中最大化可实现数据速率。
• 将问题分解为联合调度与资源分配，并提出一种启发式算法，在功率与干扰约束下最大化数据速率。
• 引入一种动态路由算法，基于实时网络状态与流量负载，贪婪地选择基站与用户设备之间的最优路径。
• 采用改进的KKT方法进行功率分配，通过拉格朗日乘子与信道增益求解最优功率分配。
• 引入波束成形增益与路径损耗模型，以模拟真实的毫米波传播特性，包括定向链路隔离与干扰。
• 通过系统级仿真评估性能，与基准方案对比，验证了该算法在接近最优性能与低延迟方面的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在考虑波束成形与干扰约束的前提下，如何在毫米波IAB异构网络中优化联合调度与资源分配，以最大化数据速率？
• RQ2 在具有可变流量与负载的毫米波IAB网络中，动态多跳路由对数据速率性能有何影响？
• RQ3 在存在非对称流量需求的毫米波IAB网络中，灵活的上下行时隙分配能在多大程度上提升系统性能？
• RQ4 所提出的算法在半双工与全双工传输模式下的表现如何？其频谱效率增益为何？
• RQ5 所提出的启发式算法在保持低计算延迟的前提下，能否在数据速率方面接近理论最优值？

主要发现

• 所提出的联合调度与资源分配算法在广泛的系统级仿真中，相较于基准方案实现了显著的数据速率增益。
• 该算法在可实现数据速率方面接近理论最优，且相比穷举搜索方法具有显著更低的延迟。
• 动态路由算法通过根据实时网络负载与流量状况自适应选择最优多跳路径，进一步提升了数据速率。
• 系统支持灵活的下行与上行时隙分配，可适应不同的用户需求模式。
• 所提出的算法在半双工与全双工模式下均实现显著的性能提升，尤其在点对多点与点对点通信中表现突出。
• 该方案展现出强大的可扩展性与适应性，能有效管理干扰并充分利用密集毫米波异构网络中的空间复用增益。