[Paper] 关于 Age 在未知环境中基于学习的无线调度的鲁棒性

发布: 1周前 (2026年1月10日 GMT+8 01:15)

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原文: arXiv

Source: arXiv - 2601.05956v1

概述

本文解决了无线网络中的一个经典问题：在信道质量未知且可能突然变化的情况下，如何调度传输。作者表明，与其依赖传统的“虚拟队列长度”指标来控制吞吐约束，不如使用最旧数据包的 首部排队（HoL）年龄，这能够在环境突变时仍保持调度器的稳定性。

Problem framing: 作者将无线调度建模为受约束的组合多臂赌博机（constrained combinatorial multi‑armed bandit，CC‑MAB）。每个“臂”对应一个可行的链路激活集合，未知的奖励是瞬时信道容量。
Traditional approach recap: 先前的工作将赌博机学习器（例如 UCB 或 Thompson Sampling）与虚拟队列相结合，后者累计任何吞吐量约束的违背。算法试图保持虚拟队列长度较小。
Key insight: 当信道突然恶化时，虚拟队列可能会爆炸，因为算法不断尝试满足一个不可能的约束。然而，队列中最老数据包的年龄增长得要慢得多，并提供了一种自然的“紧迫性”信号。
Algorithm design:
- 为每个流维护一个标量：HoL（Head‑of‑Line）年龄（即最老积压数据包已等待的时长）。
- 在每个时隙，将当前的 HoL 年龄输入基于赌博机的决策规则，选择一个链路集合，使估计奖励与基于年龄的惩罚的加权和最大化。
- 根据成功传输和新到达的数据包更新年龄计数器。
Analysis technique: 作者将 Lyapunov 漂移分析扩展到 HoL‑年龄度量，证明即使在底层约束暂时不可行的情况下，漂移仍可被界定。

场景	指标	传统虚拟队列调度器	HoL‑Age 调度器
i.i.d. 信道	后悔（相对于最优的累计损失）	接近最优 (O(√T))	同阶，常数相同
突发退化（例如，信道容量在 t = 500 时下降 70%）	虚拟队列长度	爆炸 → 无界	保持有界；峰值适度
退化后的恢复	重新稳定所需时间（时隙）	> 2000	< 300
吞吐约束违规	违规时隙比例	在故障期间升至 15%	≤ 2%，并快速回到 0%

关键结论是，HoL‑Age 调度器在正常条件下继承了现有基于 bandit 的策略的强性能保证，同时在环境变得恶劣时显著提升了鲁棒性。

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更具弹性的 MAC 层： 需要适应快速衰落或突发干扰的 Wi‑Fi、LTE‑Advanced 或 5G NR 实现可以将 HoL‑age 指标嵌入调度逻辑，从而降低缓冲区溢出和数据包丢失的风险。
简化状态跟踪： 为每个流维护单一的年龄计数器比更新完整的虚拟队列向量更省资源，这对低功耗物联网设备或内存受限的边缘路由器具有吸引力。
故障后更快恢复： 经历间歇性干扰、频谱共享冲突或快速移动（例如车联网）的网络能够在几百毫秒内重新获得稳定，提升对时延敏感应用的服务质量（QoS）。
兼容现有的 bandit 库： 该算法可直接接入标准的 UCB/Thompson Sampling 框架；开发者只需将队列长度惩罚项替换为基于年龄的项即可。