[论文解读] Throughput Optimal Decentralized Scheduling with Single-bit State Feedback for a Class of Queueing Systems

Avinash Mohan, Aditya Gopalan+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2020

Advanced Wireless Network Optimization参考文献 38被引用 7

一句话总结

本文提出了一种仅使用单比特队列状态反馈（空/非空）的、吞吐量最优的、去中心化的无线物联网网络调度策略。它引入了基于队列非空的（QNB）策略以及策略拼接技术，在仅使用最少信息的情况下实现最优性能。证明了当 N ≥ 4 时，仅使用单比特反馈无法实现总队列长度最优，但在如线性阵列和团簇星型等结构化干扰图中，所提方法表现出稳定性和低延迟。

ABSTRACT

Motivated by medium access control for resource-challenged wireless Internet of Things (IoT), we consider the problem of queue scheduling with reduced queue state information. In particular, we consider a time-slotted scheduling model with $N$ sensor nodes, with pair-wise dependence, such that Nodes $i$ and $i + 1,~0 < i < N$ cannot transmit together. We develop new throughput-optimal scheduling policies requiring only the empty-nonempty state of each queue that we term Queue Nonemptiness-Based (QNB) policies. We propose a Policy Splicing technique to combine scheduling policies for small networks in order to construct throughput-optimal policies for larger networks, some of which also aim for low delay. For $N = 3,$ there exists a sum-queue length optimal QNB scheduling policy. We show, however, that for $N > 4,$ there is no QNB policy that is sum-queue length optimal over all arrival rate vectors in the capacity region. We then extend our results to a more general class of interference constraints that we call cluster-of-cliques (CoC) conflict graphs. We consider two types of CoC networks, namely, Linear Arrays of Cliques (LAoC) and Star-of-Cliques (SoC) networks. We develop QNB policies for these classes of networks, study their stability and delay properties, and propose and analyze techniques to reduce the amount of state information to be disseminated across the network for scheduling. In the SoC setting, we propose a throughput-optimal policy that only uses information that nodes in the network can glean by sensing activity (or lack thereof) on the channel. Our throughput-optimality results rely on two new arguments: a Lyapunov drift lemma specially adapted to policies that are queue length-agnostic, and a priority queueing analysis for showing strong stability.

研究动机与目标

• 设计资源受限的物联网网络的去中心化调度策略，仅使用最少的队列状态反馈。
• 针对具有成对干扰约束的一类排队系统，仅使用空/非空状态信息（单比特反馈）实现吞吐量最优。
• 将结果扩展至广义的簇-簇（CoC）干扰图，包括线性阵列和星型簇。
• 分析在信息传播受限条件下所提策略的稳定性和延迟性能。
• 证明无需掌握完整队列长度信息，也无需始终调度最多数量的非干扰非空队列，即可实现最优性能。

提出的方法

• 设计仅利用每个队列二值状态（空或非空）的基于队列非空的（QNB）调度策略。
• 提出一种策略拼接技术，将小规模网络的策略组合为大规模网络的吞吐量最优策略。
• 应用一种专为队列长度无关策略设计的新式李雅普诺夫漂移引理，以证明稳定性和吞吐量最优性。
• 使用优先队列分析方法，建立在所提策略下实现强稳定性的依据。
• 将结果扩展至簇-簇（CoC）网络，包括团簇线性阵列（LAoC）和星型簇（SoC），并设计了针对性的QNB策略。
• 在SoC网络中提出一种基于信道感知的策略，仅依赖活动检测，无需显式状态交换。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有成对干扰约束的网络中，能否仅使用单比特（空/非空）反馈实现吞吐量最优调度？
• RQ2 在 N ≥ 4 的系统中，仅使用单比特反馈是否可实现总队列长度最优？
• RQ3 如何将小规模网络的策略组合，以构建大规模网络的吞吐量最优策略？
• RQ4 在如LAoC和SoC等结构化干扰图中，QNB策略的稳定性和延迟特性如何？
• RQ5 能否在不始终调度最多数量的非干扰非空队列的前提下实现吞吐量最优？

主要发现

• 当 N = 3 时，仅使用空/非空反馈即可实现总队列长度最优的调度策略。
• 当 N ≥ 4 时，仅使用空/非空状态信息的任何调度策略，都无法在容量区域的所有速率向量上实现总队列长度最优。
• 所提出的QNB策略在团簇线性阵列（LAoC）和星型簇（SoC）网络中均实现了吞吐量最优。
• 在SoC网络中，可通过仅使用信道活动检测实现吞吐量最优策略，无需显式状态交换。
• 策略拼接技术可利用小规模构建模块，构造出大规模网络的吞吐量最优策略。
• 通过一种专为队列长度无关策略设计的新式李雅普诺夫漂移论证，证明了稳定性，确保正递归性和强稳定性。