[论文解读] Throughput Improvement and Its Tradeoff with The Queuing Delay in the Diamond Relay Networks

Qing Wang, Pingyi Fan+1 more|ArXiv.org|Jul 10, 2009

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 20被引用 6

一句话总结

本文提出了一种在钻石中继网络中的混合中继调度方案，结合空间复用模式（SRP）与放大转发模式（AFP），并利用缓存中继以提升吞吐量，代价是增加了排队延迟。通过根据信道条件动态切换模式并优化切换阈值，该方案实现了显著的吞吐量增益——最高可达30%的提升，同时利用G/G/1排队模型定量刻画了吞吐量增益与排队延迟之间的权衡。

ABSTRACT

Diamond relay channel model, as a basic transmission model, has recently been attracting considerable attention in wireless Ad Hoc networks. Node cooperation and opportunistic scheduling scheme are two important techniques to improve the performance in wireless scenarios. In the paper we consider such a problem how to efficiently combine opportunistic scheduling and cooperative modes in the Rayleigh fading scenarios. To do so, we first compare the throughput of SRP (Spatial Reused Pattern) and AFP (Amplify Forwarding Pattern) in the half-duplex case with the assumption that channel side information is known to all and then come up with a new scheduling scheme. It will that that only switching between SRP and AFP simply does little help to obtain an expected improvement because SRP is always superior to AFP on average due to its efficient spatial reuse. To improve the throughput further, we put forward a new processing strategy in which buffers are employed at both relays in SRP mode. By efficiently utilizing the links with relatively higher gains, the throughput can be greatly improved at a cost of queuing delay. Furthermore, we shall quantitatively evaluate the queuing delay and the tradeoff between the throughput and the additional queuing delay. Finally, to realize our developed strategy and make sure it always run at stable status, we present two criteria and an algorithm on the selection and adjustment of the switching thresholds.

研究动机与目标

• 解决由时变瑞利衰落和瓶颈链路导致的钻石中继网络吞吐量受限问题。
• 探究将机会调度与协作中继模式（SRP与AFP）结合是否能带来显著的性能增益。
• 设计一种混合中继策略，利用中继节点的缓存存储功能，以利用良好的信道状态并提升系统整体吞吐量。
• 定量分析所提方案中吞吐量增益与引入的排队延迟之间的权衡关系。
• 建立最优切换阈值选择的标准与算法，以确保系统稳定且高效运行。

提出的方法

• 提出一种混合中继模式，根据瞬时信道状态信息在SRP（解码转发）与AFP（放大转发）之间切换。
• 在SRP模式下，于两个中继节点引入缓存存储，以在信道条件良好时存储并转发数据包，从而提升空间复用度与吞吐量。
• 将系统建模为具有离散信道增益等级的有限状态马尔可夫链，并利用最大流最小割定理推导吞吐量表达式。
• 采用G/G/1排队模型对缓存使用所引入的额外排队延迟进行解析量化。
• 推导出一个依赖于切换阈值U和u的吞吐量增益度量Ψ(U,u)，其中U和u分别代表模式切换的信道增益阈值。
• 开发优化算法及两种稳定性准则，用于选择和调整切换阈值，以在控制延迟的同时最大化吞吐量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在瑞利衰落信道下，SRP与AFP模式之间的机会调度能否显著提升钻石中继网络的吞吐量？
• RQ2 在协作网络中引入缓存中继时，吞吐量增益与排队延迟之间的根本权衡关系是什么？
• RQ3 为何仅在SRP与AFP之间简单切换，即使存在信道变化，仍只能带来有限的性能提升？
• RQ4 如何优化切换阈值（U, u）以在保持系统稳定的同时最大化吞吐量增益？
• RQ5 何种解析模型能够准确捕捉缓存中继混合中继系统中的吞吐量与延迟权衡？

主要发现

• 所提出的缓存辅助混合方案相比传统SRP或AFP方案，吞吐量提升最高可达30%，具体取决于信道条件与阈值设置。
• 仅在SRP与AFP之间简单切换带来的增益极小，因为SRP在平均意义上更优（得益于高效的空分复用），因此不足以实现性能提升。
• 引入具备缓存功能的中继节点可更好地利用高增益链路，显著提高有效吞吐量，代价是增加了排队延迟。
• 排队延迟通过G/G/1排队系统进行定量建模，使得在不同流量与信道条件下对延迟权衡的精确分析成为可能。
• 最优切换阈值（U, u）被证明可最大化吞吐量增益，且分析证明：降低U并提高u可带来更高的增益。
• 所推导的增益度量Ψ(U,u)被证明是U的严格递减函数，且是u的严格递增函数，从而验证了阈值选择的优化准则。