[논문 리뷰] Energy-Efficient Resource Allocation for Multi-User Mobile Edge Computing

Junfeng Guo, Zhaozhe Song외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 06.

IoT and Edge/Fog Computing참고 문헌 5인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 다중 사용자 모바일 에지 컴퓨팅(MEC) 환경에서 에너지 효율적인 자원 할당을 위해 상行/하행 전송과 계산 오프로딩을 종합적으로 최적화하는 방법을 제안한다. 기지국(BS) 실행 시간이 무시할 만큼 작은 경우, 닫힌 형태의 최적 해를 도출한다. 비무시 가능한 BS 실행 시간이 존재하는 경우, 문제를 삼단계 플로우숍 스케줄링 문제로 재구성하고 존슨 알고리즘을 적용하여 저복잡도의 부분 최적 해를 도출한다. 이는 에너지 소비와 지연 시간 측면에서 기존 기준 대비 뚜렷한 성능 향상을 보인다.

ABSTRACT

To increase mobile batteries' lifetime and improve quality of experience for computation-intensive and latency-sensitive applications, mobile edge computing has received significant interest. Designing energy-efficient mobile edge computing systems requires joint optimization of communication and computation resources. In this paper, we consider energy-efficient resource allocation for a multi-user mobile edge computing system. First, we establish on two computation-efficient models with negligible and non-negligible base station (BS) executing durations, respectively. Then, under each model, we formulate the overall weighted sum energy consumption minimization problem by optimally allocating communication and computation resources. The optimization problem for negligible BS executing duration is convex, and we obtain the optimal solution in closed-form to this problem. The optimization problem for non-negligible BS executing duration is NP-hard in general, and we obtain a sub-optimal solution with low-complexity to this problem, by connecting it to a three-stage flow-shop scheduling problem and wisely utilizing Johnson's algorithm. Finally, numerical results show that the proposed solutions outperform some baseline schemes.

연구 동기 및 목표

• 기존 연구들이 결과 다운로드 에너지 소비를 忽시하고, 기지국(BS) 실행 시간을 무시할 수 있다고 가정하는 한계를 해결한다.
• 다중 사용자 MEC 환경에서 전체 가중합 에너지 소비를 최소화하기 위해 통신 및 계산 자원 할당 문제를 종합적으로 수립한다.
• 무시할 수 없는 BS 실행 시간을 고려하여, 이는 작업 처리 순서와 총 완료 시간에 영향을 미친다.
• NP-난해한 경우를 삼단계 플로우숍 스케줄링 문제로 모델링하여 저복잡도 부분 최적 해를 도출한다.
• 에너지 효율성과 지연 시간 측면에서 기존 기준 대비 뚜렷한 성능 향상을 입증한다.

제안 방법

• 실세계 애플리케이션(예: AR 및 멀티미디어 처리)을 반영하기 위해 작업 크기, 계산 부하, 결과 크기의 세 가지 매개변수를 포함한 작업 모델을 제안한다.
• 기본 시간이 무시 가능할 경우(볼록 최적화)와 비무시 가능한 경우(NP-난해)의 두 모델 하에서 에너지 최소화 문제를 수립한다.
• 볼록 최적화 케이스에서는 라그랑주 이중성과 KKT 조건을 활용해 상행 및 하행 전송 시간 할당에 대한 닫힌 형태의 최적 해를 유도한다.
• NP-난해한 케이스에서는 문제를 삼단계 플로우숍 스케줄링 문제로 변환하고, 존슨 알고리즘을 적용해 부분 최적의 작업 처리 순서를 결정한다.
• 결정된 처리 순서 하에서 전송 시간을 볼록 최적화 기법을 활용해 최적화한다.
• 알고리즘 1을 구현하여 저연산 복잡도로 부분 최적 해를 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 결과 다운로드 에너지 소비와 무시할 수 없는 BS 실행 시간을 고려할 경우, 에너지 효율적인 MEC 시스템 설계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 BS 실행 시간이 무시 가능할 경우, 에너지 최소화 문제에 대해 닫힌 형태의 최적 해를 도출할 수 있는가?
• RQ3 BS 실행 시간이 비무시 가능한 경우, NP-난해한 에너지 최소화 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 저복잡도 접근법은 무엇인가?
• RQ4 제안된 부분 최적 해는 에너지 소비와 지연 시간 측면에서 기존 기준 대비 어떻게 비교되는가?
• RQ5 다중 사용자 MEC 환경에서 전송과 실행의 병렬화가 시스템 성능 향상에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 무시할 수 없는 BS 실행 시간에 대한 제안된 최적 해는 상행 및 하행 전송 시간을 동일하게 할당하는 기준 정책에 비해 뚜렷한 성능 향상을 보인다.
• 사용자 수가 증가하거나 시간 할당이 감소할수록 모든 기법에서 전체 가중합 에너지 소비가 증가하지만, 최적 해는 여전히 낮은 에너지 소비를 유지한다.
• 비무시 가능한 BS 실행 시간에 대한 부분 최적 해는 병행 실행 시간을 근사적으로 최대화함으로써 베이스라인 2에 비해 뚜렷한 성능 향상을 보인다.
• 특히 고부하 또는 엄격한 마감 시간 조건에서, 부분 최적 해는 기존 기준 정책에 비해 에너지 소비를 상당히 감소시킨다.
• 수치 결과는 제안된 방법이 작업 순서 조정과 동적 자원 할당을 활용해 에너지 소비를 효과적으로 줄임을 확인한다.
• 변환된 삼단계 플로우숍 문제에 존슨 알고리즘을 적용함으로써, NP-난해한 경우에 저복잡도이면서도 높은 성능을 달성하는 해법을 실현할 수 있었다.