[논문 리뷰] Coded Cooperative Computation for Internet of Things.

Yasaman Keshtkarjahromi, Hülya Seferoğlu|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 13.

Ferroelectric and Negative Capacitance Devices참고 문헌 18인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 임의의 이질적 장치에 하위 작업을 에러 복구 코드를 사용해 동적으로 할당하여 지연과 에너지 효율성을 최적화하는, IoT를 위한 코딩된 협업 계산 프레임워크인 계산 제어 프로토콜(CCP)을 제안한다. CCP는 작업 완료 지연을 크게 감소시키며, 이론적 성능에 매우 가까운 성능을 달성하고, 시간에 따라 변하는 조건에서도 99% 이상의 자원 활용도를 유지한다.

ABSTRACT

Cooperative computation is a promising approach for localized data processing for Internet of Things (IoT), where computationally intensive tasks in a device could be divided into sub-tasks, and offloaded to other devices or servers in close proximity. However, exploiting the potential of cooperative computation is challenging mainly due to the heterogeneous nature of IoT devices. Indeed, IoT devices may have different and time-varying computing power and energy resources, and could be mobile. Coded computation, which advocates mixing data in sub-tasks by employing erasure codes and offloading these sub-tasks to other devices for computation, is recently gaining interest, thanks to its higher reliability, smaller delay, and lower communication costs. In this paper, we develop a coded cooperative computation framework, which we name Computation Control Protocol (CCP), by taking into account heterogeneous computing power and energy resources of IoT devices. CCP dynamically allocates sub-tasks to helpers and is adaptive to time-varying resources. We show that (i) CCP improves task completion delay significantly as compared to baselines, (ii) task completion delay of CCP is very close to its theoretical characterization, and (iii) the efficiency of CCP in terms of resource utilization is higher than 99%, which is significant.

연구 동기 및 목표

• 이질적이고 시간에 따라 변하는 계산 능력과 에너지 자원을 가진 IoT 시스템에서 작업 오픈로딩의 과제를 해결한다.
• 국소화된 IoT 계산 환경에서 작업 완료 지연과 통신 효율성을 향상시킨다.
• 장치의 다양성에도 불구하고 높은 자원 활용도를 유지할 수 있도록 동적이고 적응형 오픈로딩 프로토콜을 설계한다.
• 코딩된 계산 기법과 실시간 자원 적응을 통합하여 신뢰성과 지연 감소를 향상시킨다.

제안 방법

• 에러 복구 코드를 사용해 하위 작업 간 데이터를 혼합하여, 근처 장치에 강력하고 효율적인 오픈로딩을 가능하게 한다.
• 실시간으로 변화하는 장치의 계산 능력과 에너지 수준에 적응하는 동적 하위 작업 할당 메커니즘을 설계한다.
• 도우미 장치 간 부하 균형을 맞추면서도 작업 완료 지연과 통신 비용을 최소화하는 제어 프로토콜을 제안한다.
• 이론적 모델링을 통해 최적 성능를 특성화하고 프로토콜 설계를 안내한다.
• 하위 작업 할당 결정 과정에 에너지 및 계산 제약 조건을 통합한다.
• 변경되는 장치 가용성과 성능에 대응하기 위해 피드백 기반의 적응 메커니즘을 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 코딩된 계산은 IoT 장치의 이질적이고 동적인 특성에 효과적으로 어떻게 적응시킬 수 있는가?
• RQ2 동적 하위 작업 할당은 IoT 협업 계산에서 작업 완료 지연을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ3 실제로 구현된 프로토콜은 이질적 IoT 환경에서 이론적 지연 하한선에 얼마나 가까이 도달할 수 있는가?
• RQ4 시간에 따라 변하는 장치 조건 하에서 실질적으로 어떤 수준의 자원 활용도를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• CCP는 기준 오픈로딩 전략에 비해 작업 완료 지연을 크게 감소시킨다.
• CCP의 실제 작업 완료 지연은 이론적 성능 하한선에 매우 가까운 수준이다.
• CCP는 자원 활용도가 99% 이상을 달성하여 계산 및 에너지 자원 낭비를 최소화하고 있음을 보여준다.
• 프로토콜은 시간에 따라 변하는 장치 성능과 에너지 수준에 강력한 적응성을 보였다.
• 코딩된 계산과 동적 제어의 통합은 IoT 환경에서 신뢰성 있고 저지연의 작업 실행을 가능하게 한다.
• 에러 복구 코드와 실시간 적응의 통합은 지연과 효율성 측면에서 뛰어난 성능을 달성한다.