[論文レビュー] Socially Trusted Collaborative Edge Computing in Ultra Dense Networks

Lixing Chen, Jie Xu|arXiv (Cornell University)|May 9, 2017

IoT and Edge/Fog Computing参考文献 26被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、超密な小型セルネットワークにおける協調エッジコンピューティングのための社会的信頼性があり支払いに基づく連合形成フレームワークを提案する。このフレームワークにより、動的ユーザー関連付けとピアオフロードを介してSBSが無線および計算リソースを共同で管理できる。この手法は、連合ゲーム理論と社会的信頼ネットワークを用いて、安全リスクを軽減する安定的かつインcentive-compatibleな連合を形成することで、システムコストを40%以上削減する。

ABSTRACT

Small cell base stations (SBSs) endowed with cloud-like computing capabilities are considered as a key enabler of edge computing (EC), which provides ultra-low latency and location-awareness for a variety of emerging mobile applications and the Internet of Things. However, due to the limited computation resources of an individual SBS, providing computation services of high quality to its users faces significant challenges when it is overloaded with an excessive amount of computation workload. In this paper, we propose collaborative edge computing among SBSs by forming SBS coalitions to share computation resources with each other, thereby accommodating more computation workload in the edge system and reducing reliance on the remote cloud. A novel SBS coalition formation algorithm is developed based on the coalitional game theory to cope with various new challenges in small-cell-based edge systems, including the co-provisioning of radio access and computing services, cooperation incentives, and potential security risks. To address these challenges, the proposed method (1) allows collaboration at both the user-SBS association stage and the SBS peer offloading stage by exploiting the ultra dense deployment of SBSs, (2) develops a payment-based incentive mechanism that implements proportionally fair utility division to form stable SBS coalitions, and (3) builds a social trust network for managing security risks among SBSs due to collaboration. Systematic simulations in practical scenarios are carried out to evaluate the efficacy and performance of the proposed method, which shows that tremendous edge computing performance improvement can be achieved.

研究の動機と目的

• 超密な5Gネットワークにおける個々の小型セル基地局（SBS）の計算能力の制限という課題に対処すること。
• リモートクラウドへの階層的オフロードの限界を克服し、SBS間での協調エッジコンピューティングを可能にすること。
• しばしば独立所有であるSBSがリソース共有に参加するよう誘導するインcentiveメカニズムを設計すること。
• 社会的信頼ネットワークモデルを用いて、SBS連合におけるセキュリティとプライバシーのリスクを軽減すること。
• ユーザー関連付けとピアオフロードを共同最適化する安定的で分散型の連合形成アルゴリズムを開発すること。

提案手法

• 移転可能なユーティリティを伴う連合ゲームとしてSBS協力問題を定式化し、マージ・スプリット則を用いて安定的連合形成を可能にする。
• 購入者（過負荷SBS）と販売者（未利用SBS）の間で比例的に公平なユーティリティ配分を保証する支払いに基づくインcentiveメカニズムを導入する。
• 二段階のワークロードバランスを実現：(1) 動的ユーザー-SBS関連付けと(2) SBS間ピアオフロード。超密な展開を活用し、低遅延な調整を実現する。
• SBS間の信頼関係をモデル化する社会的信頼ネットワークを構築し、協力中のセキュリティリスクを低減する。
• 運用コスト、クラウドサービス料金、信頼指標を連合ユーティリティ関数に統合し、安定的かつ効率的な形成を導く。
• 中央集権的制御なしにSBSが自律的に連合を形成できる分散型アルゴリズムを採用し、スケーラビリティと耐障害性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超密ネットワークにおけるSBSは、どのようにして協調エッジコンピューティングのための安定的連合を形成するインcentiveを受けることができるか？
• RQ2 システムコストと遅延を最小限に抑えるために、ユーザー-SBS関連付けとSBSピアオフロードの最適なバランスは何か？
• RQ3 分散型で信頼性のない環境において、SBS連合によるセキュリティリスクを効果的に管理するにはどうすればよいか？
• RQ4 社会的信頼は、安定的かつ安全なSBS連合形成において果たす役割は何か？
• RQ5 協調エッジコンピューティングは、リモートクラウドへの依存度をどの程度低減でき、総合的なシステムコストを削減できるか？

主な発見

• 提案手法は、非協力的エッジコンピューティングと比較して、システムコストを40%以上削減し、顕著な性能向上を示した。
• 複数の連合が形成される時間スロット15のように、購入者と販売者のバランスの取れたSBSの構成が、システムユーティリティの最大化に寄与する。
• 一方、1つのSBSのみが購入者として機能する場合（例：時間スロット23）、連合形成は1組のペアに限定され、ユーティリティの向上が小さい。
• 支払いに基づくインcentiveメカニズムにより、貢献度と信頼度に基づく公平なユーティリティ配分が実現され、安定的連合形成が保証される。
• 社会的信頼ネットワークの統合により、セキュリティリスクが効果的に軽減され、SBS連合の信頼性が向上した。
• ユーザー再関連付けとピアオフロードによる二段階のワークロードバランスは、送信遅延とエネルギー消費を顕著に低減した。