[论文解读] Recent Results on Proportional Fair Scheduling for mmWave-based Industrial Wireless Networks

Jiteng Ma, Adnan Aijaz+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2020

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 16被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于毫米波工业无线网络的增强型比例公平（EPF）调度器，以在动态、散射丰富的环境中提升公平性和响应能力。通过修改标准比例公平（SPF）算法，优先考虑非视 Line-of-Sight（NLOS）条件下的用户，并加快对信道波动的响应，EPF在快速信道变化下实现了比SPF更优的公平性与鲁棒性，'超过第95百分位'的延迟降低达10.7%，吞吐量公平性指数达0.994。

ABSTRACT

Millimeter wave (mmWave) communication has recently attracted significant attention from both industrial and academic communities. The large bandwidth availability as well as low interference nature of mmWave spectrum is particularly attractive for industrial communication. However, inherent challenges such as coverage and blockage of mmWave communication cause highly fluctuated channel quality. This paper explores wireless medium access control (MAC) schedulers for mmWave-based industrial wireless applications. Our objective is to design a high-performance and enhanced fairness MAC scheduling algorithm that responds rapidly to channel variations. The key contribution of our work is a method to modify the standard proportional fair (SPF) scheduler. It introduces more flexibility and dynamic properties. Compared to the SPF, our enhanced proportional fair (EPF) scheduler not only improves the priority for users in poor channel conditions but also accelerates the reaction time in fluctuated channel conditions. By providing higher fairness for all users and enhancing system robustness, it particularly adapts to the scatter-rich industrial mmWave communication environment. Through extensive performance evaluation based on the widely accepted network simulator (ns-3), we show that the new scheduler achieves better performance in terms of delivering ultra-low latency and reliable services over mmWave-based industrial communication.

研究动机与目标

• 解决标准比例公平（SPF）调度在工业环境中常见的快速波动毫米波信道中的局限性。
• 改善在毫米波通信中易受深度衰落和遮挡影响的非视 Line-of-Sight（NLOS）用户中的公平性。
• 降低队列延迟，提升毫米波工业物联网应用中的超低延迟性能。
• 设计一种MAC层调度器，能够动态适应信道变化，同时保持高系统吞吐量。
• 在高移动性和密集散射的现实工业场景下评估所提出调度器的性能。

提出的方法

• EPF调度器通过引入一个动态加权因子，提升处于较差信道条件下的用户优先级，特别是在NLOS场景中，对标准SPF算法进行修改。
• 通过调整公平性度量以更快响应信道质量变化，从而加速对信道波动的反应，降低队列延迟。
• 采用改进的吞吐量-公平性权衡函数，在保持整体系统效率的同时，强调在较差信道状态下的用户公平性。
• 使用ns-3网络仿真器中的毫米波通信模块实现并评估该算法，采用真实的3GPP统计信道模型。
• 采用灵活的TTI和自适应调制编码，以反映真实毫米波系统约束。
• 通过Jain公平性指数评估吞吐量和延迟性能，'超过第95百分位'延迟用于量化最坏情况下的延迟表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 与标准比例公平（SPF）调度器相比，EPF调度器在非视 Line-of-Sight（NLOS）条件下如何提升用户公平性？
• RQ2 在快速衰落的毫米波信道中，EPF调度器在多大程度上降低了最坏情况（第95百分位）延迟？
• RQ3 在散射丰富的工业环境中，优先考虑NLOS用户时，系统吞吐量与公平性之间的权衡如何？
• RQ4 与SPF相比，EPF调度器在快速信道变化下（特别是在视 Line-of-Sight（LOS）到NLOS转换期间）的响应能力如何？
• RQ5 在真实流量和移动性模型下，EPF调度器能否在毫米波工业无线网络中保持高可靠性和超低延迟？

主要发现

• EPF调度器实现了0.994的吞吐量公平性指数，相较于SPF在NLOS主导环境中显著提升了公平性。
• 在Case 1（NLOS移动性）中，EPF调度器相比SPF将'超过第95百分位'延迟降低了10.7%，表明其对信道变化的适应速度更快。
• 在Case 2（随机移动性和散射）中，EPF使'超过第95百分位'延迟改善了12.3%，证明其在真实条件下的鲁棒性。
• EPF调度器提升了NLOS用户的吞吐量和延迟性能，即使在轻微降低LOS用户性能的代价下也成立。
• 在Case 2中，EPF调度器通过Jain公平性指数测量，相比SPF将延迟公平性提升了2.2%。
• 所提出的EPF调度器有效平衡了系统性能与公平性，适用于超可靠、低延迟的工业毫米波应用。