[论文解读] Joint Relaying and Spatial Sharing Multicast Scheduling for mmWave Networks

Gek Hong, Sim+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2019

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 26被引用 4

一句话总结

本文提出 mmDiMu，一种用于毫米波网络的分布式多播调度算法，通过联合利用中继与空间复用技术，最小化多播完成时间。通过利用方向波束和中继节点，与 sub-6GHz 方法相比，mmDiMu 将完成时间减少了高达 96.21%，与自适应波束宽度方案相比减少了 78.22%，实现了近乎最优的性能，且具备可扩展的分布式操作特性。

ABSTRACT

Millimeter-wave (mmWave) communication plays a vital role to efficiently disseminate large volumes of data in beyond-5G networks. Unfortunately, the directionality of mmWave communication significantly complicates efficient data dissemination, particularly in multicasting, which is gaining more and more importance in emerging applications (e.g., V2X, public safety). While multicasting for systems operating at lower frequencies (i.e., sub-6GHz) has been extensively studied, they are sub-optimal for mmWave systems as mmWave has significantly different propagation characteristics, i.e., using the directional transmission to compensate for the high path loss and thus promoting spectrum sharing. In this paper, we propose novel multicast scheduling algorithms by jointly exploiting relaying and spatial sharing gains while aiming to minimize the multicast completion time. We first characterize the min-time mmWave multicasting problem with a comprehensive model and formulate it with an integer linear program (ILP). We further design a practical and scalable distributed algorithm named mmDiMu, based on gradually maximizing the transmission throughput over time. Finally, we carry out validation through extensive simulations in different scales and the results show that mmDiMu significantly outperforms conventional algorithms with around 95% reduction on multicast completion time.

研究动机与目标

• 解决由于高路径损耗和方向波束成形导致的毫米波网络中多播分发效率低下的挑战。
• 克服 sub-6GHz 多播调度的局限性，后者假设全向传输，在毫米波场景下表现次优。
• 设计一种可扩展的分布式算法，联合优化中继使用与方向波束的空间复用，以最小化多播完成时间。
• 通过利用 sub-6GHz 进行控制信令，实现在存在遮挡和移动性的高密度毫米波网络中的可靠调度。

提出的方法

• 将最小化时间的毫米波多播问题建模为整数线性规划（ILP），以描述联合的中继选择、波束成形与调度决策。
• 设计 mmDiMu，一种分布式、贪心算法，通过在每个时隙选择高增益传输链路，逐步最大化吞吐量。
• 采用混合调度方法：通过中继实现单播与多播传输的结合，以提升可达性与数据速率。
• 通过允许波束之间无干扰时的并发传输，利用毫米波的定向特性实现空间复用。
• 集成同步机制，通过鲁棒的 sub-6GHz 链路（如 IEEE 802.11ad FST 或 DSRC）分发调度信息，确保协调性。
• 通过链路发现与波束训练建模遮挡；在调度中动态排除被阻塞的链路，同时通过中继确保数据传输。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在毫米波多播中联合利用中继节点与空间复用以减少完成时间？
• RQ2 在大规模毫米波网络中，分布式算法在多大程度上可达到最优 ILP 公式性能？
• RQ3 与传统的 sub-6GHz 多播调度和自适应波束宽度方法相比，所提方案在完成时间方面表现如何？
• RQ4 在启用空间复用但未显式最小化干扰的情况下，高密度毫米波网络中的干扰影响如何？
• RQ5 尽管毫米波链路存在高路径损耗和易被遮挡的问题，如何实现毫米波网络中的调度同步？

主要发现

• 所提出的 ILP 建模可实现最优多播调度，但因计算复杂度高而可扩展性差。
• 分布式 mmDiMu 算法的完成时间与最优 ILP 解相差仅 3.79%，表现出近乎最优性能。
• 与传统的基于 sub-6GHz 的多播调度算法相比，mmDiMu 将多播完成时间减少了高达 96.21%。
• 与自适应波束宽度方案（Adapt）相比，mmDiMu 在毫米波环境中可实现高达 78.22% 的完成时间减少。
• 尽管未将干扰最小化纳入目标函数，但在高密度场景下，即使波束宽度达 45°，总干扰仍保持在仅 5% 的低水平。
• 通过动态通过非阻塞中继节点重新路由数据，该算法在遮挡情况下仍保持鲁棒性，确保端到端数据交付。