[论文解读] Network Coded Rate Scheduling for Two-way Relay Networks

Dong Min Kim, Seong-Lyun Kim|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2013

Cooperative Communication and Network Coding被引用 5

一句话总结

本文提出了一种用于双向中继网络的网络编码速率调度方案，通过利用信道状态信息并优先考虑网络编码，以最小化端到端传输时间（时延跨度）。对于时不变和有限状态信道，推导出闭式调度器；对于瑞利衰落信道，提出一种类似水填充的启发式功率分配方案。关键结果表明，最大化网络编码机会（而非机会性单向转发）可最小化时延跨度，尤其在低功率预算下，能显著提升功率效率。

ABSTRACT

We investigate a scheduling scheme incorporating network coding and channel varying information for the two-way relay networks. Our scheduler aims at minimizing the time span needed to send all the data of each source of the network. We consider three channel models, time invariant channels, time varying channels with finite states and time varying Rayleigh fading channels. We formulate the problem into a manageable optimization problem, and get a closed form scheduler under time invariant channels and time varying channel with finite channel states. For Rayleigh fading channels, we focus on the relay node operation and propose heuristic power allocation algorithm resemblant to water filling algorithm. By simulations, we find that even if the channel fluctuates randomly, the average time span is minimized when the relay node transmits/schedules network coded data as much as possible.

研究动机与目标

• 通过在双向中继网络中整合网络编码与信道状态信息，最小化端到端传输时间（即从两个源节点传输全部数据所需的总时间）。
• 解决动态信道条件（包括时不变、有限状态和瑞利衰落信道）在调度设计中的挑战。
• 证明最大化网络编码机会可实现优于机会性单向转发的时延跨度性能，即使在信道状态信息不完全的情况下亦然。
• 提供一种实用的调度框架，平衡吞吐量与延迟，避免不现实的满缓冲假设。

提出的方法

• 将时延跨度最小化问题建模为三种信道模型下的优化问题：时不变信道、有限状态马尔可夫信道和瑞利衰落信道。
• 通过假设系统在特定信道状态下运行，推导出时不变和有限状态信道的闭式调度器。
• 针对瑞利衰落信道，提出一种受水填充启发的启发式功率分配算法，优先考虑网络编码传输。
• 通过在中继节点对两个源节点的数据执行异或（XOR）操作，实现网络编码的集成，当两个缓冲区均非空时执行。
• 在仿真中使用因果和非因果信道状态信息，比较不同信道知识水平下的性能表现。
• 采用平均时延跨度作为性能度量，对比不同数据比例和功率预算下网络编码与单向转发的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何联合利用网络编码与信道状态信息，以最小化双向中继网络中的时延跨度？
• RQ2 在时不变和有限状态时变信道下，最优调度策略是什么？能否以闭式表达？
• RQ3 在瑞利衰落信道下，网络编码的性能与单向转发相比如何，特别是在信道知识有限的情况下？
• RQ4 最大化网络编码机会是否能带来优于最大化每个时隙瞬时吞吐量的时延跨度性能？
• RQ5 数据不平衡（源节点数据量不同）对调度性能和缓冲管理有何影响？

主要发现

• 与单向转发相比，网络编码显著减少了平均时延跨度，尤其在低功率预算下，-10 dBm功率预算下性能差距达2.2个时隙。
• 随着功率预算增加，仅使用当前信道状态的因果网络编码性能与使用未来信道知识的非因果网络编码性能非常接近，表明对信道不确定性具有鲁棒性。
• 在网络编码与单向转发之间进行机会性选择的性能劣于纯网络编码，原因在于缓冲区不平衡降低了编码机会。
• 无论数据比例如何，网络编码优先方案始终优于机会性方案，证实最大化编码机会比最大化每时隙吞吐量更有效。
• 即使在随机瑞利衰落信道下，当中继尽可能多地传输网络编码数据时，平均时延跨度最小化，凸显了编码利用率的重要性。