[論文レビュー] Air Computing: A Survey on a New Generation Computation Paradigm in 6G Wireless Networks

Baris Yamansavascilar, Atay Özgövde+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2022

UAV Applications and Optimization参考文献 113被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、低高度プラットフォーム（LAP）、高高度プラットフォーム（HAP）、低地球軌道（LEO）衛星と地上のエッジおよびクラウドリソースを統合した、6Gを活用した新規な3次元計算パラダイム「Air Computing」を提案する。このパラダイムは、遅延、帯域幅、カバレッジのボトルネックを克服することを目的としており、6Gの超信頼性・低遅延通信とAI駆動のオ케ストレーションを活用することで、空中層と地上層の間で動的かつ知能的なタスクオフロードとリソース割り当てを実現し、次世代アプリケーションにおけるQoSおよびQoEを顕著に向上させる。

ABSTRACT

There is an ever-growing race between what novel applications demand from the infrastructure and what the continuous technological breakthroughs bring in. Especially after the proliferation of smart devices and diverse IoT requirements, we observe the dominance of cutting-edge applications with ever-increased user expectations in terms of mobility, pervasiveness, and real-time response. Over the years, to meet the requirements of those applications, cloud computing provides the necessary capacity for computation, while edge computing ensures low latency. However, these two essential solutions would be insufficient for the next-generation applications since computational and communicational bottlenecks are inevitable due to the highly dynamic load. Therefore, a 3D networking structure using different air layers including Low Altitude Platforms, High Altitude Platforms, and Low Earth Orbits in a harmonized manner for both urban and rural areas should be applied to satisfy the requirements of the dynamic environment. In this perspective, we put forward a novel, next-generation paradigm called Air Computing that presents a dynamic, responsive, and high-resolution computation and communication environment for all spectrum of applications using the 6G Wireless Networks as the fundamental communication system. In this survey, we define the components of air computing, investigate its architecture in detail, and discuss its essential use cases and the advantages it brings for next-generation application scenarios. We provide a detailed and technical overview of the benefits and challenges of air computing as a novel paradigm and spot the important future research directions.

研究の動機と目的

• 次世代のIoTおよびリアルタイムアプリケーションの動的かつ多様な要件に起因する、5Gおよび従来のエッジ／クラウドコンピューティングにおける計算および通信のボトルネックを解消すること。
• 地上エッジコンピューティングと空中プラットフォーム（ドローン、HAP、LEO衛星）を統合する新規な3次元計算パララダイム「Air Computing」を提唱し、シームレスで低遅延かつ高容量なサービス提供を実現すること。
• 6Gネットワークにおける完全に機能するAir Computingインfraストラクチャを実現するためのアーキテクチャ的要素、システム統合、および運用メカニズムを調査すること。
• エネルギー効率、動的移動性、規制準拠、セキュアなデータ処理といった主な課題を特定し、今後の研究方向性を提案すること。

提案手法

• 低高度プラットフォーム（LAP）、高高度プラットフォーム（HAP）、低地球軌道（LEO）衛星と地上エッジおよびクラウドサーバーを統合した3次元ネットワークアーキテクチャを設計し、統一的かつ動的な計算ファブリックを構築する。
• 6G無線ネットワークを基盤とする通信インfraストラクチャとして活用し、すべてのレイヤーで超信頼性・低遅延（0.1 ms）かつ高スルーレット（最大1 Tbps）の接続性を実現する。
• 特にフェデレーテッドラーニング（FL）およびディープ強化学習（DRL）を活用した人工知能（AI）および機械学習（ML）技術を統合し、動的環境における分散型でプライバシー保護型の適応的意思決定を可能にする。
• エージェント間通信を管理する標準化され、安全で効率的なAir Computingプロトコルを提案し、異種の空中および地上ノード間でデータ整合性、低遅延、信頼性を確保する。
• 共同リソース割り当ておよびモビリティに配慮したタスクオフロード戦略を通じて、空中機器（ドローン、HAP）のエネルギー消費と飛行軌道を最適化する。
• 無人航空機および6G周波数使用に関する国家的および国際的規制と整合するように、Air Computingプロトコルの規制および標準化準拠を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空中層と地上層の3次元統合ネットワークは、現在の2次元エッジおよびクラウドコンピューティングシステムの遅延、帯域幅、カバレッジの制限をどのように克服できるか？
• RQ2 Air Computingにおいて、ドローン、HAP、LEO衛星、および地上インfraストラクチャ間で、シームレスで安全かつ低遅延な通信を実現するために不可欠なアーキテクチャ的およびプロトコルレベルの要素は何か？
• RQ3 フェデレーテッドラーニング（FL）およびディープ強化学習（DRL）を含むAIおよび機械学習技術は、動的かつ分散型の空の計算環境において、知能的で適応的かつプライバシー保護型のリソース管理をどのように実現できるか？
• RQ4 空中機器のエネルギー効率、モビリティ管理、規制準拠における主な課題は何か、そしてそれらはどのように解決できるか？
• RQ5 6Gおよびそれ以降の時代におけるAir Computingの潜在能力を最大限に引き出すために、最も有望な今後の研究方向性は何か？

主な発見

• Air Computingは、ドローン、HAP、LEO衛星、および地上エッジ／クラウドリソースを統合する統一的かつ3次元的な計算フレームワークを提供し、次世代アプリケーションに超低遅延かつ高容量のコンピューティングを実現する。
• 6G無線ネットワークは、Air Computingにとって不可欠であり、5Gでは達成できない0.1 msの遅延、1 Tbpsのデータレート、1000 km/hの移動速度サポートを実現する。
• 分散型かつ多様な環境における大量のデータとプライバシー懸念を考慮すると、フェデレーテッドラーニング（FL）は、集中型ディープラーニングよりもAir Computingにおいてより適したMLアプローチである。
• ディープ強化学習（DRL）は、ラベル付きデータが不足または存在しない動的かつ変化しやすい空の計算環境において、自律的かつリアルタイムの意思決定を可能にする。
• 空中機器間での共同軌道およびリソース最適化は、エネルギー消費を顕著に削減し、システム効率を向上させる。
• 標準化され、安全で低遅延な通信プロトコルは、異種の空中および地上エージェント間の信頼性ある連携を実現する上で不可欠である。