[论文解读] Optimal Backpressure Scheduling in Wireless Networks using Mutual Information Accumulation

Jing Yang, Yanpei Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2011

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 15被引用 5

一句话总结

该论文提出了两种针对无线网络的动态反压调度算法，利用互信息累积（MIA）技术将稳定区域扩展至传统单时隙解码的范围之外。通过引入虚拟队列来解耦MIA中的非独立同分布时间相关性，第二类算法在有限延迟下实现了完整的稳定区域，而第一类算法则随时间尺度T的增加渐近逼近该区域。

ABSTRACT

In this paper we develop scheduling policies that maximize the stability region of a wireless network under the assumption that mutual information accumulation is implemented at the physical layer. When the link quality between nodes is not sufficiently high that a packet can be decoded within a single slot, the system can accumulate information across multiple slots, eventually decoding the packet. The result is an expanded stability region. The accumulation process over weak links is temporally coupled and therefore does not satisfy the independent and identically distributed (i.i.d) assumption that underlies many previous analysis in this area. Therefore the problem setting also poses new analytic challenges. We propose two dynamic scheduling algorithms to cope with the non-i.i.d nature of the decoding. The first performs scheduling every $T$ slots, and approaches the boundary of the stability region as $T$ gets large, but at the cost of increased average delay. The second introduces virtual queues for each link and constructs a virtual system wherein two virtual nodes are introduced for each link. The constructed virtual system is shown to have the same stability region as the original system. Through controlling the virtual queues in the constructed system, we avoid the non-i.i.d analysis difficulty and attain the full stability region. We derive performance bounds for both algorithms and compare them through simulation results.

研究动机与目标

• 表征物理层采用互信息累积（MIA）时的最大网络容量区域，实现跨多个时隙的解码。
• 设计联合路由与调度算法，以稳定该扩展容量区域内的任意速率向量。
• 解决由MIA的非独立同分布特性带来的分析挑战，该特性违反了标准反压理论的独立同分布假设。
• 在延迟与吞吐量之间实现权衡的同时，实现最优稳定区域性能。

提出的方法

• 提出一种T时隙调度算法，每T个时隙执行一次调度，随着T增大逐渐逼近稳定区域边界，但平均延迟较高。
• 为每条链路构建一个带有虚拟队列的虚拟系统，每条物理链路引入两个虚拟节点以建模MIA过程。
• 利用虚拟队列将非独立同分布的MIA问题转化为类似独立同分布的系统，从而支持标准反压分析。
• 采用李雅普诺夫漂移分析证明系统稳定性，并推导平均队列长度与延迟的上界。
• 通过二次李雅普诺夫函数推导性能边界，并应用詹森不等式处理期望项。
• 证明虚拟系统与原始基于MIA的系统具有相同的稳定区域，从而验证了虚拟队列在实现最优控制中的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当使用互信息累积（MIA）而非单时隙解码时，无线网络的稳定区域是否可以扩展？
• RQ2 在MIA导致解码具有非独立同分布时间耦合的条件下，如何设计动态调度策略以稳定完整的容量区域？
• RQ3 在反压调度中使用MIA时，延迟与稳定区域扩展之间的权衡关系如何？
• RQ4 能否利用虚拟队列解耦非独立同分布的MIA过程，并在标准反压分析框架下实现最优控制？

主要发现

• 基于虚拟队列的算法实现了基于MIA网络的完整稳定区域，与理论容量区域完全匹配。
• 平均队列长度的上界为一个与到边界距离成反比的常数，具体为 ≤ (2d+1)(KN(d+A_max)^2 + 2N + (2η+1)KNd)/ε。
• T时隙调度算法随T增大而逐渐逼近稳定区域边界，但因调度周期更长而产生更高的平均延迟。
• 通过李雅普诺夫漂移分析推导出的性能边界证实了系统的稳定性，并量化了延迟与区域扩展之间的权衡。
• 虚拟系统构造保持了原始系统的稳定区域，验证了虚拟队列在处理非独立同分布MIA中的有效性。