[论文解读] Integrating Sub-6 GHz and Millimeter Wave to Combat Blockage: Delay-Optimal Scheduling

Guidan Yao, Morteza Hashemi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2019

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 22被引用 5

一句话总结

本文提出了一种延迟最优的调度策略，通过整合Sub-6 GHz与毫米波（mmWave）无线电技术，以应对阻塞引起的中断。通过将系统建模为马尔可夫决策过程（MDP），证明了基于阈值的策略——仅当队列长度低于临界阈值时才将数据包路由至mmWave——可同时最小化折扣延迟与平均延迟，相较于基线策略，在高负载条件下平均延迟最高可降低70%。

ABSTRACT

Millimeter wave (mmWave) technologies have the potential to achieve very high data rates, but suffer from intermittent connectivity. In this paper, we provision an architecture to integrate sub-6 GHz and mmWave technologies, where we incorporate the sub-6 GHz interface as a fallback data transfer mechanism to combat blockage and intermittent connectivity of the mmWave communications. To this end, we investigate the problem of scheduling data packets across the mmWave and sub-6 GHz interfaces such that the average delay of system is minimized. This problem can be formulated as Markov Decision Process. We first investigate the problem of discounted delay minimization, and prove that the optimal policy is of the threshold-type, i.e., data packets should always be routed to the mmWave interface as long as the number of packets in the system is smaller than a threshold. Then, we show that the results of the discounted delay problem hold for the average delay problem as well. Through numerical results, we demonstrate that under heavy traffic, integrating sub-6 GHz with mmWave can reduce the average delay by up to 70%. Further, our scheduling policy substantially reduces the delay over the celebrated MaxWeight policy.

研究动机与目标

• 为解决由于人体或障碍物导致的mmWave连接间歇性中断问题。
• 研究将Sub-6 GHz作为备用链路是否可降低mmWave网络中的系统延迟。
• 设计一种主动调度策略，以最小化Sub-6 GHz与mmWave接口的平均延迟。
• 证明针对折扣延迟与平均延迟最小化的阈值型策略的最优性。

提出的方法

• 将调度问题建模为马尔可夫决策过程（MDP），其中状态空间由mmWave与Sub-6 GHz接口的队列长度定义。
• 使用值迭代推导最优策略的结构特性，表明代价函数具有单调性与凸性。
• 通过基于总队列占用量合并系统状态，将四维状态空间简化为三维状态空间。
• 证明最优策略为阈值型：仅当mmWave队列长度低于临界阈值时才将数据包路由至mmWave。
• 通过结构分析与收敛性论证，将折扣延迟最小化的结果扩展至平均延迟最小化。
• 采用动态规划与递归不等式，在各种系统条件下验证阈值策略的最优性。

实验结果

研究问题

• RQ1 将Sub-6 GHz作为备用链路是否可降低遭受阻塞的mmWave网络中的系统延迟？
• RQ2 最小化Sub-6 GHz与mmWave接口平均延迟的最优调度策略是什么？
• RQ3 该混合系统中，针对折扣延迟最优的策略是否同样适用于平均延迟最优？
• RQ4 最优策略是否基于队列长度表现出阈值结构？
• RQ5 与著名的MaxWeight策略相比，所提策略在延迟性能方面表现如何？

主要发现

• 延迟最小化的最优调度策略为阈值型：仅当mmWave队列长度低于特定阈值时，才将数据包路由至mmWave。
• 该阈值策略不仅对折扣延迟最优，也对平均延迟最优，显著增强了其实际适用性。
• 数值结果表明，在高负载条件下，与非集成或反应式方案相比，所提策略可将平均延迟最高降低70%。
• 该策略在吞吐量性能上与MaxWeight策略相当，但在延迟降低方面显著优于后者。
• 随着系统总负载的增加，将数据包路由至mmWave与Sub-6 GHz之间的代价差异增大，这在高负载下为采用阈值策略提供了合理依据。
• 结构化证明确认，最优策略在系统负载较低时优先使用mmWave，仅在mmWave发生拥塞或阻塞时才转而使用Sub-6 GHz。