We study large-scale systems operating under the JSQ$(d)$ policy in the presence of stringent task-server compatibility constraints. Consider a system with $N$ identical single-server queues and $M(N)$ task types, where each server is able to process only a small subset of possible task types. Each arriving task selects $d\geq 2$ random servers compatible to its type, and joins the shortest queue among them. The compatibility constraint is naturally captured by a fixed bipartite graph $G_N$ between the servers and the task types. When $G_N$ is complete bipartite, the meanfield approximation is proven to be accurate. However, such dense compatibility graphs are infeasible due to their overwhelming implementation cost and prohibitive storage capacity requirement at the servers. Our goal in this paper is to characterize the class of sparse compatibility graphs for which the meanfield approximation remains valid. To achieve this, first, we introduce a novel graph expansion-based notion, called proportional sparsity, and establish that systems with proportionally sparse compatibility graphs match the performance of a fully flexible system, asymptotically in the large-system limit. Furthermore, for any $c(N)$ satisfying $$\frac{Nc(N)}{M(N)\ln(N)}\to \infty\quad \text{and}\quad c(N)\to \infty,$$ as $N\to\infty$, we show that proportionally sparse random compatibility graphs can be designed, so that the degree of each server is at most $c(N)$. This reduces the server-degree almost by a factor $N/\ln(N)$, compared to the complete bipartite compatibility graph, while maintaining the same asymptotic performance. Extensive simulation experiments are conducted to corroborate the theoretical results.


翻译:我们研究在JSQ$( d) 政策下运行的大型系统, 且存在严格的任务服务器兼容性限制。 考虑一个系统, 以美元为单位, 相同的单一服务器队列和 $M( N) 任务类型, 每个服务器只能处理一小部分可能的任务类型。 每个到达的任务选择 $d\ geq 2美元 随机服务器, 并且加入其中最短的队列。 首先, 在服务器和任务类型之间, 一个固定的双方平面图 $N_ N$( 美元) 自然捕获兼容性限制。 当$N_ N美元是完整的双方时, 平均地点的匹配性能被证明是准确的。 然而, 如此稠密的兼容性图是行不通的, 因为执行成本极高, 服务器的存储能力要求非常低。 我们的目标是将最小的兼容性图类别描述为最小的。 首先, 我们引入一个全新的双面平面平面扩展概念, 称之为正方平面的, 并且确定系统与完全灵活( N$) 的系统运行结果。

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