[논문 리뷰] Energy-efficient Resource Allocation for Mobile Edge Computing Aided by Multiple Relays

Xiang Li, Rongfei Fan외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 08.

IoT and Edge/Fog Computing참고 문헌 23인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 전체 에너지 소비를 최소화하기 위해 다중 릴레이 노드를 사용하여 에너지 효율적인 자원 할당을 제안한다. 해석-전달(DF-TDMA, DF-FDMA) 및 강화-전달(AF) 릴레이 모드에 대해 비볼록 최적화 문제를 수립하고, 볼록화, 단조 최적화, 순차적 볼록 근사화를 통해 최적 또는 수렴해를 도출한다. 수치 결과는 모든 모드에서 뚜렷한 에너지 절감 효과를 확인한다.

ABSTRACT

In this paper, we study a mobile edge computing (MEC) system with the mobile device aided by multiple relay nodes for offloading data to an edge server. Specifically, the modes of decode-and-forward (DF) with time-division-multiple-access (TDMA) and frequency-division-multiple-access (FDMA), and the mode of amplify-and-forward (AF) are investigated, which are denoted as DF-TDMA, DF-FDMA, and AF, respectively. Our target is to minimize the total energy consumption of the mobile device and multiple relay nodes through optimizing the allocation of computation and communication resources. Optimization problems under the three considered modes are formulated and shown to be non-convex. For DF-TDMA mode, we transform the original non-convex problem to be a convex one and further develop a low computation complexity yet optimal solution. In DF-FDMA mode, with some transformation on the original problem, we prove the mathematical equivalence between the transformed problem in DF-FDMA mode and the problem under DF-TDMA mode. In AF mode, the associated optimization problem is decomposed into two levels, in which monotonic optimization is utilized in upper level and successive convex approximation (SCA) is adopted to find the convergent solution in the lower level. Numerical results prove the effectiveness of our proposed methods under various working modes.

연구 동기 및 목표

• 다중 릴레이 노드를 갖는 모바일 에지 컴퓨팅(MEC) 시스템에서 전체 에너지 소비를 최소화하기 위해.
• 릴레이 지원 오프로딩을 수반한 MEC 시스템에서 자원 할당 문제의 비볼록 성격을 다루기 위해.
• DF-TDMA, DF-FDMA, AF를 포함한 세 가지 릴레이 모드에 대해 저복잡도, 최적 또는 수렴해를 갖는 해법을 개발하기 위해.
• 다양한 채널 및 시스템 조건 하에서 제안된 방법의 성능 향상을 평가하기 위해.

제안 방법

• 변수 치환을 통해 비볼록 DF-TDMA 문제를 볼록 문제로 변환하고, 볼록 최적화 기법을 적용하여 최적 해를 도출한다.
• 변수 변환을 통한 수학적 동치성 증명을 통해 DF-FDMA 문제와 DF-TDMA 문제 간의 동치성을 입증함으로써, DF-TDMA의 해법 기법을 그대로 재사용할 수 있도록 한다.
• AF 모드 문제를 두 수준으로 분해한다: 상위 수준에선 단조 최적화를, 하위 수준에선 순차적 볼록 근사화(Sequential Convex Approximation, SCA)를 적용하여 수렴성을 확보한다.
• SCA에서 로그 항의 일阶 볼록 근사를 활용하여 반복적으로 해를 정밀화하면서도 타당성을 유지한다.
• 원래 목적 함수의 하한을 확보하기 위해 일阶 테일러 전개 기반의 대체 함수를 도입하여 SCA 과정에서 단조 감소를 보장한다.
• Cauchy의 정리와 대체 함수 분석을 통해 SCA 방법의 수렴성을 증명함으로써 수렴성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 릴레이 프로토콜 하에서 다중 릴레이 노드를 갖는 MEC 시스템에서 에너지 소비를 어떻게 최소화할 수 있는가?
• RQ2 DF-TDMA 및 DF-FDMA 모드에서의 비볼록 최적화 문제는 최적 해를 구하기 위해 볼록 형태로 변환될 수 있는가?
• RQ3 비볼록 AF 모드 자원 할당 문제를 해결하기 위한 가장 효과적인 접근 방식은 무엇인가?
• RQ4 다양한 릴레이 모드에서 제안된 방법들이 에너지 효율성 및 계산 복잡도 측면에서 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• DF-TDMA 문제는 볼록 문제로 변환되어 저복잡도 최적 해를 도출할 수 있다.
• DF-FDMA 문제와 DF-TDMA 문제 간에 수학적 동치성이 존재하여 동일한 해법 기법을 재사용할 수 있다.
• AF 모드 해법은 순차적 볼록 근사화(Sequential Convex Approximation, SCA)를 통해 수렴하며, Cauchy의 정리와 대체 함수 분석을 통해 수렴성이 증명된다.
• 수치 결과는 다양한 채널 및 시스템 조건 하에서 세 가지 릴레이 모드(DT-TDMA, DF-FDMA, AF) 모두에서 뚜렷한 에너지 절감 효과를 입증한다.
• AF 모드에 대한 SCA 기반 방법은 목적 함수의 단조 감소를 보장하며, 해의 수열은 정적 점으로 수렴한다.
• 제안된 방법은 특히 열악한 채널 조건 또는 높은 데이터 오프로딩 수요 상황에서 기준 대비 에너지 효율성이 뛰어나다.