[논문 리뷰] Air Computing: A Survey on a New Generation Computation Paradigm in 6G Wireless Networks

Baris Yamansavascilar, Atay Özgövde외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 10.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 113인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 6G 기반의 3차원 컴퓨팅 패러다임인 에어 컴퓨팅을 제안한다. 이는 저고도 플랫폼(LAP), 고고도 플랫폼(HAP), 저지구궤도(LEO) 위성과 지상 엣지 및 클라우드 자원을 통합하여 지연, 용량, 커버리지의 한계를 극복한다. 6G의 초신뢰성, 저지연 통신 및 인공지능 기반 오케스트레이션을 활용해 공중 및 지상 계층 간에 동적이고 지능적인 작업 오프로딩 및 자원 할당을 가능하게 하여 차세대 애플리케이션의 QoS와 QoE를 크게 향상시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 차세대 IoT 및 실시간 애플리케이션의 동적이고 이질적인 수요로 인해 발생하는 5G 및 기존 엣지/클라우드 컴퓨팅의 증가하는 계산 및 통신 병목 현상을 해결한다.
• 지상 엣지 컴퓨팅과 무인항공기(UAV), HAP, LEO 위성과 같은 공중 플랫폼을 통합하는 새로운 3차원 컴퓨팅 패러다임인 에어 컴퓨팅을 제안하여 원활하고 저지연, 고용량의 서비스 제공을 실현한다.
• 6G 네트워크에서 기능적으로 작동하는 에어 컴퓨팅 인fra를 구현하기 위해 필요한 아키텍처 구성 요소, 시스템 통합 및 운영 메커니즘을 조사한다.
• 에너지 효율성, 동적 이동성, 규제 준수, 안전한 데이터 처리와 같은 주요 과제를 규명하고 향후 연구 방향을 제안한다.

제안 방법

• 저고도 플랫폼(LAP), 고고도 플랫폼(HAP), 저지구궤도(LEO) 위성과 지상 엣지 및 클라우드 서버를 통합하여 통합적이고 동적인 계산 기반 구조를 형성하는 3차원 네트워크 아키텍처를 설계한다.
• 초고신뢰성, 저지연(0.1 ms) 및 고대역폭(최대 1 Tbps) 연결을 가능하게 하는 6G 무선 네트워크를 기반 통신 인fra로 활용하여 모든 계층 간의 통신을 보장한다.
• 특히 연합학습(FL)과 딥 강화학습(DRL)을 활용해 분산형, 개인정보 보호 기반, 적응형 의사결정을 가능하게 하는 인공지능(AI) 및 기계학습(ML) 기법을 통합한다.
• 이종 공중 및 지상 노드 간에 데이터 무결성, 저지연, 신뢰성을 확보하기 위해 상호 엔티티 간 통신을 관리하는 표준화되고 안전하며 효율적인 에어 컴퓨팅 프로토콜을 제안한다.
• 공동 자원 할당 및 이동성 인지 기반 작업 오프로딩 전략을 통해 공중 차량(UAV, HAP)의 에너지 소비와 비행 경로를 최적화한다.
• 무인 항공기 및 6G 스펙트럼 사용에 대한 국가 및 국제 규제와의 일치를 확보하기 위해 에어 컴퓨팅 프로토콜이 규제 및 표준화 요구사항을 충족하도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공중 및 지상 계층을 통합한 3차원 네트워크는 현재 2차원 엣지 및 클라우드 컴퓨팅 시스템의 지연, 용량, 커버리지 제한을 어떻게 극복할 수 있는가?
• RQ2 에어 컴퓨팅 환경에서 UAV, HAP, LEO 위성 및 지상 인fra 간에 원활하고 안전하며 저지연 통신을 실현하기 위해 필수적인 아키텍처 및 프로토콜 수준의 구성 요소는 무엇인가?
• RQ3 에어 컴퓨팅 환경에서 연합학습(FL)과 딥 강화학습(DRL)을 포함한 AI 및 기계학습(ML)은 어떻게 지능적이고 적응형이며 개인정보 보호 기반의 자원 관리를 가능하게 하는가?
• RQ4 에어 컴퓨팅 환경에서 공중 차량의 에너지 효율성, 이동성 관리 및 규제 준수의 주요 과제는 무엇이며, 이를 어떻게 해결할 수 있는가?
• RQ5 에어 컴퓨팅의 잠재력을 6G 및 그 이상에서 최대로 실현하기 위해 가장 유망한 향후 연구 방향은 무엇인가?

주요 결과

• 에어 컴퓨팅은 UAV, HAP, LEO 위성 및 지상 엣지/클라우드 자원을 통합하여 차세대 애플리케이션에 초저지연, 고용량 컴퓨팅을 제공하는 통합적이고 3차원 컴퓨팅 프레임워크를 제공한다.
• 6G 무선 네트워크는 에어 컴퓨팅에 필수적이며, 5G가 달성하지 못하는 0.1 ms 지연, 1 Tbps 데이터 전송 속도 및 시속 1000 km의 이동성 지원을 가능하게 한다.
• 에어 컴퓨팅 환경에서 데이터 양이 많고 개인정보 보호가 중요한 이질적이고 분산된 환경에서는 중심화된 딥 러닝보다 연합학습(FL)이 더 적합한 ML 접근 방식이다.
• 라벨이 없는 또는 부족한 데이터 환경에서 딥 강화학습(DRL)은 동적 공중 컴퓨팅 환경에서 자율적이고 실시간 의사결정을 가능하게 한다.
• 공중 차량 간의 공동 경로 및 자원 최적화 전략은 에너지 소비를 크게 감소시키고 시스템 효율성을 향상시킨다.
• 표준화되고 안전하며 저지연 통신 프로토콜은 이종 공중 및 지상 엔티티 간 신뢰성 있는 협업을 위해 필수적이다.