[论文解读] Performance Evaluation of Scheduling in 5G-mmWave Networks under Human Blockage

Fadhil Firyaguna, Andrea Bonfante+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2020

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 34被引用 7

一句话总结

本文提出了一种针对5G-mmWave网络的抗阻塞比例公平（BA-PF）调度器，该调度器通过提前预测用户即将遭遇的人体阻塞，主动为其分配资源。借助阻塞预测，BA-PF调度器将1%分位数速率提升最高达267%，在严重阻塞条件下显著提升了公平性，但因资源预分配导致平均用户速率下降，存在一定的代价。

ABSTRACT

The millimetre-wave spectrum provisions enormous enhancement to the achievable data rate of 5G networks. However, human blockages affecting the millimetre-wave signal can severely degrade the performance if proper resource allocation is not considered. In this paper, we assess how conventional schedulers, such as the Proportional Fair scheduler, react to the presence of blockage. Our results show that the resource allocation may disfavour users suffering from blockage, leading to low data rate for those users. To circumvent this problem, we show that the data rate of those users can be improved by using a scheduler adapted to react to upcoming blockage events. The adapted scheduler aims at proactively allocating the resources before a blockage happens, mitigating losses. Such adaptation is motivated by recent progress in blockage prediction for millimetre-wave signals in a dynamic human blockage scenario. Our extensive simulations indicate gains in the 1st percentile rate and fairness with respect to Proportional Fair scheduler when blockage conditions are severe.

研究动机与目标

• 评估传统调度器（如比例公平，PF）在5G-mmWave网络中面临人体阻塞时的性能表现。
• 识别传统调度器在频繁阻塞用户中维持公平性与数据速率的局限性。
• 设计并评估一种抗阻塞调度器（BA-PF），在阻塞事件发生前主动分配资源。
• 量化在不同阻塞严重程度与预测窗口长度下，公平性与用户吞吐量（尤其是被阻塞用户）的增益。

提出的方法

• BA-PF调度器利用阻塞预测，提前多轮传输时隙估算未来用户速率，预测对象为预期将发生阻塞的用户。
• 通过引入预测的信道状态，修改传统PF调度器的度量标准，优先考虑可能被阻塞的用户。
• 阻塞预测基于子6 GHz信道推断、波束成形波束矢量追踪或基于摄像头的障碍物运动追踪等方法。
• 调度器动态调整资源分配，优先考虑即将进入阻塞状态的用户，从而在性能下降前提升其数据速率。
• 在不同阻塞到达率（λ_B）与持续时间（τ_B）下进行大量仿真，性能评估指标包括公平性指数、平均速率与1%分位数速率。
• 在不同预测窗口长度（n_T = 50 ms 与 500 ms）下，将BA-PF的性能与传统PF和MaxMin调度器进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在5G-mmWave网络中，传统比例公平（PF）调度器在严重人体阻塞条件下的表现如何？
• RQ2 阻塞预测在多大程度上能够实现资源的主动预分配，以缓解被阻塞用户的性能下降？
• RQ3 在使用抗阻塞调度器时，公平性、1%分位数速率与平均用户速率之间的权衡关系如何？
• RQ4 预测窗口长度如何影响BA-PF调度器的性能增益？

主要发现

• 当预测窗口为500 ms且阻塞条件严重时，BA-PF调度器相比传统PF调度器，1%分位数速率最高提升达267%。
• 在高阻塞到达率（λ_B ≥ 1 个阻塞者/秒）下，BA-PF调度器相比PF调度器提升了公平性，因其优先保障了本可能资源枯竭的被阻塞用户。
• 由于为被阻塞用户预分配了资源，BA-PF调度器的平均速率相比PF最高降低22%，表明公平性与频谱效率之间存在权衡。
• 当阻塞持续时间足够长（例如 τ_B = 3000 ms），使得有效提前预判成为可能时，BA-PF的性能增益最为显著，从而实现有意义的资源预分配。
• 传统MaxMin调度器在阻塞环境下表现较差，因其无法提升被阻塞用户的速率，且整体频谱效率较低。
• 在高阻塞环境下，PF调度器性能显著下降，趋近于MaxMin性能，因其逐步偏向非阻塞用户，导致被阻塞用户面临严重不公平。