[论文解读] Toward a Tractable Delay Analysis in Ultra-dense Networks

Yi Zhong, Martin Haenggi+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2016

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 16被引用 4

一句话总结

本文通过解决服务速率依赖于相关队列状态的相互作用队列问题，提出了一套可处理的端到端延迟分析方法，用于超密集无线网络。该方法引入了上界与近似技术——利用主导系统和简化系统——以解耦干扰，实现可处理的延迟分析。关键结果表明，由于无线竞争阶段转变，平均延迟在某些条件下可能变为无穷大。

ABSTRACT

Meeting the diverse delay requirements of emerging wireless applications is one of the most critical goals for the design of ultradense networks. Though the delay of point-to-point communications has been well investigated using classical queueing theory, the delay of multi-point to multi-point communications, such as in ultradense networks, has not been explored in depth. The main technical difficulty lies in the interacting queues problem, in which the service rate is coupled with the statuses of other queues. In this article, we elaborate on the main challenges in the delay analysis in ultradense networks. Several promising approaches, such as introducing the dominant system and the simplified system, to bypass these difficulties are proposed and summarized to provide useful guidance.

研究动机与目标

• 解决超密集网络中端到端延迟分析的根本挑战，其中传统排队论与随机几何模型均显不足。
• 识别相互作用队列问题为核心障碍，即由于共享频谱与干扰，多个队列的服务速率相互耦合。
• 开发可处理的分析方法，以近似或界定所有网络链路平均延迟的累积分布函数（CDF）。
• 通过采用放松的系统模型（主导系统与简化系统）解耦服务速率依赖关系，实现实际延迟特性的表征。

提出的方法

• 引入主导系统模型，即所有干扰发射机始终处于激活状态，通过增加干扰并降低服务速率，推导出平均延迟CDF的下界。
• 提出简化（有利）系统模型，通过假设更少的活跃发射机来减少干扰，推导出平均延迟CDF的上界。
• 使用固定点近似方法估计所有发射机的共同忙概率，从而实现队列状态的独立建模，并实现可处理的延迟评估。
• 应用空间随机几何方法对发射机与接收机的位置进行建模，并推导在随机接入与队列满载条件下各链路的成功概率。
• 将端到端延迟表征为排队延迟与传输延迟之和，其中传播与处理延迟在超密集场景下可忽略不计。
• 分析随机接入下的传输延迟，揭示出一种相变现象：当成功传输事件在时隙之间完全相关时，平均延迟可能变为无穷大。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何解决超密集网络中的相互作用队列问题，以实现可处理的延迟分析？
• RQ2 在何种条件下平均传输延迟会变为无穷大？这与无线竞争相变有何关联？
• RQ3 利用主导系统与简化系统进行上界分析，能否为所有链路的平均延迟CDF提供可靠上下界？
• RQ4 如何对交通与网络干扰的联合时空动态进行建模，以近似超密集网络中的延迟分布？
• RQ5 先进的MAC协议与调度机制对延迟有何影响？如何在延迟模型中进行理论整合？

主要发现

• 由于一种称为无线竞争相变的现象，即在时隙之间成功传输事件完全相关，平均传输延迟在某些系统配置下可能变为无穷大。
• 传输延迟的方差可能较大，导致高延迟抖动，这对VoIP等实时应用尤为不利。
• 主导系统模型提供了平均延迟CDF的下界，因为其相比原系统增加了干扰并降低了服务速率。
• 简化（有利）系统模型提供了平均延迟CDF的上界，因为其减少了干扰并提升了服务速率。
• 固定点近似方法能够实现对发射机忙概率的可处理估计，从而实现队列状态的解耦，使平均延迟CDF的近似评估成为可能。
• 所提出的上界与近似技术通过将服务速率与干扰队列的关联状态解耦，使超密集网络中端到端延迟的分析变得可处理。