[論文レビュー] Heterogeneous Services Provisioning in Small Cell Networks with Cache and Mobile Edge Computing

Zhiyuan Tan, F. Richard Yu+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、キャッシュおよびモバイルエッジコンピューティング（MEC）を統合したバーチャライズド全二重モード小セルネットワークを提案し、高速データレートおよび計算に敏感な2種類の異種サービスを対象に、ユーザー接続、電力制御、キャッシュ、コンピューティングオフロードを共同最適化する。非凸問題を凸問題に再定式化し、ADMMを用いた分散最適化を適用することで、ベースライン手法と比較してシステム効用が著しく向上し、バックハールドおよびエネルギーコストが低減される。

ABSTRACT

In the area of full duplex (FD)-enabled small cell networks, limited works have been done on consideration of cache and mobile edge communication (MEC). In this paper, a virtual FD-enabled small cell network with cache and MEC is investigated for two heterogeneous services, high-data-rate service and computation-sensitive service. In our proposed scheme, content caching and FD communication are closely combined to offer high-data-rate services without the cost of backhaul resource. Computing offloading is conducted to guarantee the delay requirement of users. Then we formulate a virtual resource allocation problem, in which user association, power control, caching and computing offloading policies and resource allocation are jointly considered. Since the original problem is a mixed combinatorial problem, necessary variables relaxation and reformulation are conducted to transfer the original problem to a convex problem. Furthermore, alternating direction method of multipliers (ADMM) algorithm is adopted to obtain the optimal solution. Finally, extensive simulations are conducted with different system configurations to verify the effectiveness of the proposed scheme.

研究の動機と目的

• 限られたスケジューリング帯域幅およびバックハールドリソースを有する小セルネットワークにおいて、多様なQoE要件を満たす課題に対処すること。
• バーチャライズドフレームワーク内で全二重通信、キャッシュ、MECを統合し、リソース効率およびサービス品質を向上させること。
• 異種サービス要件を満たす条件下で、ユーザー接続、電力制御、キャッシュ、コンピューティングオフロード、およびリソース割り当てを共同最適化すること。
• 変数の緩和とADMMを用いて、非凸な共同最適化問題に対する低複雑度の分散ソリューションを開発すること。

提案手法

• ユーザー接続、電力制御、キャッシュ、コンピューティングオフロード、およびリソース割り当てを統合的に考慮するバーチャルリソース割り当て問題を定式化する。
• 混合整数非凸問題を緩和・再定式化し、凸形式に変換することで、効率的な最適化を可能にする。
• 交替方向乗数法（ADMM）を用いて、低計算複雑性で凸問題を分散的に解く。
• ネットワーク関数仮想化（NFV）を用いて、複数のMVNOおよびサービス間で物理インフラを柔軟かつ動的に共有可能にする。
• 同じ周波数帯で同時に送信および受信できる全二重通信を採用し、バックハールド依存度を低減する。
• 小セル基地局（SBS）にコンテンツキャッシュおよびMECを統合し、高速データレートおよび計算集約的サービスをローカルで提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キャッシュと全二重通信をどのように共同で活用することで、小セルネットワークにおけるバックハールドリソース消費を低減できるか？
• RQ2 異種サービス環境下で、ユーザー接続、電力制御、キャッシュ、およびコンピューティングオフロードの最適な共同戦略は何か？
• RQ3 非凸な共同最適化問題をどのように凸問題に変換し、解釈可能にできるか？
• RQ4 バーチャライズド小セルフレームワークにおいて、キャッシュ、MEC、全二重通信を統合することで、どの程度の性能向上が達成可能か？

主な発見

• 提案手法は、全二重通信のみを用いる手法やキャッシュのみを用いる手法と比較して、ユーザー数が増加するにつれて高いシステム効用を達成する。
• ユーザー対数およびSBS数が増加するにつれてシステム効用は上昇するが、帯域幅および電力などのリソース制約のため、増加率は緩やかになる。
• バックハールドの節約と低遅延コンピューティングを効果的に組み合わせることで、全二重通信のみの手法（スケーム1）およびキャッシュのみの手法（スケーム2）を上回る性能を発揮する。
• SBSが増加するにつれて、キャッシュのみの手法（スケーム2）は、ローカルコンテンツ配信能力の向上により、全二重通信のみの手法（スケーム1）を追い越すようになる。
• ADMMに基づく分散アルゴリズムは、低複雑性で最適解に収束し、実用的導入が可能である。
• キャッシュおよび全二重送信によるバックハールド使用量の最小化により、特に高速データレートサービスにおいてシステムコストが顕著に低減される。