[論文レビュー] Resilient Design of 5G Mobile-Edge Computing Over Intermittent mmWave Links

Nicola di Pietro, Mattia Merluzzi+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2019

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 33被引用数 15

ひとこと要約

本稿は、干渉的なmmWaveリンクにおける5Gモバイルエッジコンピューティング（MEC）の耐障害設計を提示する。マルチリンク通信とエラー訂正符号化を活用することで、遅延制約を満たしつつ、ユーザデバイスの送信電力を最小化する。実証により、複数ビームを介した符号化伝送は、障害物密度が高い環境でも、特に干渉的伝送環境下において、アウトージ確率と電力消費を顕著に低減することが示された。これは、符号化されていない手法を上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

Two enablers of the 5th Generation (5G) of mobile communication systems are the high data rates achievable with millimeter-wave radio signals and the cloudification of the network's mobile edge, made possible also by Multi-access Edge Computing (MEC). In 5G networks, user devices may exploit the high capacity of their mobile connection and the computing capabilities of the edge cloud to offload computational tasks to MEC servers, which run applications on devices' behalf. This paper investigates new methods to perform power- and latency-constrained offloading. First, aiming to minimize user devices' transmit power, the opportunity to exploit concurrent communication links between the device and the edge cloud is studied. The optimal number of channels for simultaneous transmission is characterized in a deterministic and a probabilistic scenario. Subsequently, blocking events that obstruct millimeter-wave channels making them `intermittent' are considered. Resource overprovisioning and error-correcting codes against asymmetric block erasures are proposed to jointly contrast blocking and exploit multi-link communications' diversity. The asymmetric block-erasure channel is characterized by a study of its outage probability. The analysis is performed in a framework that yields closed-form expressions. These, together with corroborating numerical results, are intended to provide reference points and bounds to optimal performance in practical applications.

研究の動機と目的

• 5Gモバイルエッジコンピューティング（MEC）におけるmmWave通信の高い路損失と一時的な接続断の課題に対処する。
• 計算オフロードにおける厳密な遅延制約を満たしつつ、ユーザ機器（UE）の送信電力を最小化する。
• mmWave帯域に特徴的な長期的ブロッキングを是正する耐障害的通信戦略を開発する。
• 符号化伝送と符号化されていないマルチリンク方式を比較し、性能向上を評価する。
• 非対称ブロックエラー回路におけるアウトージ確率と電力最適化の閉形式式を提供する。

提案手法

• ユーザデバイスが複数のmmWaveビームを介して異なるMECアクセスポイント（APs）に同時に送信するマルチリンク計算オフロードモデルを構築する。
• 決定論的および確率的状況下で、最適な送信電力とアクティブリンク数を閉形式式で特徴付ける。
• 一時的なブロッキングにより、時間スロット全体がエラー（消去）となる非対称ブロックエラー回路としてmmWaveチャネルをモデル化する。
• 短期的ブロッキングを緩和するリソースの過剰確保と、長期的ブロッキングからの回復に低レートのエラー訂正符号化を適用する。
• ブロックエラー回路モデルを用いて符号化システムのアウトージ確率を導出し、送信電力を最小化する符号化レートを最適化する。
• 理論的結果の妥当性を検証するため、現実的なAP配置と障害物分布を想定したモンテカルロシミュレーションを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遅延制約を満たしつつ、送信電力を最小化するため、ユーザデバイスが同時に使用すべきmmWaveリンクの最適数は何か？
• RQ2 マルチリンクmmWaveオフロードシステムにおいて、障害物密度が増加するに従い、アウトージ確率はどのように変化するか？
• RQ3 長期的ブロッキングが存在する状況下で、エラー訂正符号化はどれほど送信電力とアウトージ確率を低減できるか？
• RQ4 符号化伝送は、最良の単一リンクを使用する符号化されていない最適戦略よりも、アウトージと電力効率の両面で優れているか？
• RQ5 非対称ブロックエラー環境下で、符号化レートとビームダイバーシティが性能に与える共同効果は何か？

主な発見

• 300m×300mの領域に75～175個の障害物が存在する場合、符号化率 $ R_{\text{C}} = 0.5 $ の符号化伝送は、最適な符号化されていない戦略と比較して平均送信電力を5 dBm低減する。
• 符号化方式は、障害物密度にかかわらず、単一の最良リンクを使用するあらゆる符号化されていない伝送戦略よりも優れたアウトージ確率を達成する。
• 低障害物環境（$ \rho < 75 $）では、符号化されていないマルチリンク伝送が十分であり、符号化よりも電力効率が優れているため、符号化は不要である。
• 提案された符号化マルチリンク方式は、符号化されていない方式と比較して、特に高いブロッキング率下で著しく低い送信電力でアウトージ確率を5％未満に抑える。
• 理論的解析により、アウトージ確率と最適電力割り当ての閉形式式が得られ、性能の上限評価と設計指針の提供が可能になった。
• リソースの過剰確保と符号化の組合せは、一時的および長期的ブロッキングの両方を効果的に緩和する耐障害的ソリューションを提供する。