[论文解读] Optimal Joint Routing and Scheduling in Millimeter-Wave Cellular Networks

Dingwen Yuan, Hsuan-Yin Lin+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2017

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 23被引用 5

一句话总结

本文提出了一种面向调度的优化框架，利用匹配理论联合优化毫米波蜂窝网络中的路由与调度，以最大化吞吐量公平性。该方法在超过200个毫米波基站的网络中实现了最优性能，并提出了一种快速的边着色近似算法，在保持超过80%最优最大最小吞吐量的同时，比精确方法快5至100倍。

ABSTRACT

Millimeter-wave (mmWave) communication is a promising technology to cope with the expected exponential increase in data traffic in 5G networks. mmWave networks typically require a very dense deployment of mmWave base stations (mmBS). To reduce cost and increase flexibility, wireless backhauling is needed to connect the mmBSs. The characteristics of mmWave communication, and specifically its high directional- ity, imply new requirements for efficient routing and scheduling paradigms. We propose an efficient scheduling method, so-called schedule-oriented optimization, based on matching theory that optimizes QoS metrics jointly with routing. It is capable of solving any scheduling problem that can be formulated as a linear program whose variables are link times and QoS metrics. As an example of the schedule-oriented optimization, we show the optimal solution of the maximum throughput fair scheduling (MTFS). Practically, the optimal scheduling can be obtained even for networks with over 200 mmBSs. To further increase the runtime performance, we propose an efficient edge-coloring based approximation algorithm with provable performance bound. It achieves over 80% of the optimal max-min throughput and runs 5 to 100 times faster than the optimal algorithm in practice. Finally, we extend the optimal and approximation algorithms for the cases of multi-RF-chain mmBSs and integrated backhaul and access networks.

研究动机与目标

• 为解决在基础设施成本高昂的密集毫米波蜂窝网络中高效回传资源分配的挑战。
• 联合优化路由与调度，以在满足方向性波束成形和干扰约束的前提下最大化吞吐量公平性。
• 为支持动态QoS需求的联合路由与调度问题，开发一种多项式时间最优解法。
• 设计一种快速、可扩展的近似算法，具备可证明的性能边界，适用于实际部署。
• 将该框架扩展至多射频链路基站在内和集成回传-接入网络的场景。

提出的方法

• 将联合路由与调度问题建模为线性规划问题，以链路时隙和QoS度量作为变量。
• 应用匹配理论，将可行调度建模为冲突图中的匹配，从而利用匹配多面体进行优化。
• 使用椭球体算法通过将分离问题简化为最大权匹配问题，在多项式时间内求解线性规划的对偶问题。
• 开发一种基于边着色的近似算法，根据无冲突调度为链路分配时隙，确保空间复用。
• 引入一步式调度导向优化，避免顺序流调度约束，支持可变长度时隙。
• 通过修改冲突模型和容量模型，将框架扩展至支持多射频链路基站和集成回传-接入网络。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否将毫米波回传网络中的联合路由与调度问题建模为可在多项式时间内求解的优化问题？
• RQ2 如何优化调度以在满足波束成形和干扰约束的前提下最大化公平性与吞吐量？
• RQ3 在大规模毫米波网络中，最优调度与实用近似算法之间的性能差距如何？
• RQ4 该框架如何扩展以支持多射频链路基站和集成回传-接入拓扑结构？
• RQ5 所提方法能否在显著降低运行时间的同时实现接近最优的性能，适用于大规模网络？

主要发现

• 所提出的最优调度导向优化方法利用椭球体算法在多项式时间内求解最大吞吐量公平调度（MTFS）问题。
• 最优算法实现了最优的最大最小公平性，并可扩展至超过200个毫米波基站的网络。
• 基于边着色的近似算法在实际中实现了超过80%的最优最大最小吞吐量。
• 该近似算法的运行速度比最优算法快5至100倍，适用于实时部署。
• 该框架支持动态QoS优化，并可自动确定最优路由，无需预设的路由约束。
• 对多射频链路毫米波基站和集成回传-接入网络的扩展保持了核心算法的最优性与可扩展性。