[논문 리뷰] Latency Minimization for Intelligent Reflecting Surface Aided Mobile Edge Computing

Tong Bai, Cunhua Pan외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 17.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 45인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 작업 이동 및 IRS 위상 시프트를 공동 최적화하여 계산 지연을 최소화하는 지능형 반사 표면(IIRS) 지원 모바일 엣지 컴퓨팅(MEC) 시스템을 제안한다. 블록 좌표 강하와 반복 최적화를 사용하여, 5개의 장치와 5안테나 접근점이 있는 300m 반경 셀에서 지연을 최대 20% 감소시켰으며, 전통적인 IRS 없이 구현된 MEC보다 뚜렷한 성능 향상을 보였다.

ABSTRACT

Computation off-loading in mobile edge computing (MEC) systems constitutes an efficient paradigm of supporting resource-intensive applications on mobile devices. However, the benefit of MEC cannot be fully exploited, when the communications link used for off-loading computational tasks is hostile. Fortunately, the propagation-induced impairments may be mitigated by intelligent reflecting surfaces (IRS), which are capable of enhancing both the spectral- and energy-efficiency. Specifically, an IRS comprises an IRS controller and a large number of passive reflecting elements, each of which may impose a phase shift on the incident signal, thus collaboratively improving the propagation environment. In this paper, the beneficial role of IRSs is investigated in MEC systems, where single-antenna devices may opt for off-loading a fraction of their computational tasks to the edge computing node via a multi-antenna access point with the aid of an IRS. Pertinent latency-minimization problems are formulated for both single-device and multi-device scenarios, subject to practical constraints imposed on both the edge computing capability and the IRS phase shift design. To solve this problem, the block coordinate descent (BCD) technique is invoked to decouple the original problem into two subproblems, and then the computing and communications settings are alternatively optimized using low-complexity iterative algorithms. It is demonstrated that our IRS-aided MEC system is capable of significantly outperforming the conventional MEC system operating without IRSs. Quantitatively, about $20~\%$ computational latency reduction is achieved over the conventional MEC system in a single cell of a $300~ m{m}$ radius and $5$ active devices, relying on a $5$-antenna access point.

연구 동기 및 목표

• 약한 무선 채널 조건으로 인한 높은 계산 지연 문제를 해결하기 위해, 특히 셀 가장자리 장치에서 발생하는 문제를 해결한다.
• 기존 MEC의 한계를 극복하기 위해 지능형 반사 표면(IIRS)을 활용하여 신호 전파를 향상시키고 이동성 이동 신뢰도를 향상시킨다.
• 단일 장치 및 다중 장치 MEC 시나리오에서 종단 간 지연을 최소화하기 위해 작업 이동 및 IIRS 위상 시프트를 공동 최적화한다.
• 엣지 컴퓨팅 용량과 IIRS 위상 시프트 제약 조건과 같은 실용적 제약 조건을 시스템 설계에 통합한다.
• 통신 및 계산 자원 할당에서 발생하는 비볼록 최적화 문제를 효율적으로 해결하기 위해 저복잡도 반복 알고리즘을 개발한다.

제안 방법

• IIRS 지원 상行 이동을 고려한 단일 및 다중 장치 MEC 시스템의 지연 최소화 문제를 수립한다.
• 블록 좌표 강하(BCD)를 사용하여 원래의 비볼록 문제를 두 개의 하위문제로 분해한다: 하나는 계산 자원 할당, 다른 하나는 위상 시프트 최적화이다.
• 다중 안테나 접근점의 전송 beamforming 벡터와 IIRS의 위상 시프트를 번갈아 가며 반복적으로 최적화한다.
• 비볼록성을 다루기 위해 위상 시프트 최적화 하위문제에 볼록 근사 기법을 적용하여 KKT 조건을 통해 효율적인 해를 도출한다.
• 채널 조건과 장치 능력에 기반한 최적의 작업 이동 및 엣지 컴퓨팅 속도에 대한 닫힌 형태의 표현식을 유도한다.
• 엣지 컴퓨팅 용량, 위상 시프트(0에서 2π 사이), 비음수 자원 할당 변수에 대한 제약 조건을 강제하여 타당성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제한된 장치 자원을 가진 모바일 엣지 컴퓨팅 시스템에서 IIRS 배치가 계산 지연을 어떻게 줄일 수 있는가?
• RQ2 실제 하드웨어 제약 조건 하에서 IIRS 보조 MEC 시스템에서 국지 계산과 원격 이동 사이의 최적 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ3 IIRS 위상 시프트와 beamforming 이득이 공동으로 MEC 시스템의 스펙트럼 및 에너지 효율성을 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 다중 장치 시나리오에서 IIRS 보조 MEC는 전통적인 IRS 없이 구현된 MEC에 비해 어떤 성능 향상을 보이는가?
• RQ5 비볼록 제약 조건 하에서 통신 및 계산 자원의 공동 최적화는 어떻게 효율적으로 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 IIRS 보조 MEC 시스템은 5대의 활성 장치가 있는 300m 반경 셀에서 기존 MEC 시스템 대비 약 20%의 계산 지연 감소를 달성한다.
• 작업 이동 및 IIRS 위상 시프트의 공동 최적화는 특히 직접 채널 조건이 열악한 셀 가장자리 사용자에서 이동 성공률을 크게 향상시킨다.
• 블록 좌표 강하(BCD) 기반 반복 알고리즘은 효율적으로 수렴하며, 비볼록 최적화 문제에 대한 저복잡도 해를 제공한다.
• 이 시스템은 IIRS가 가상 어레이 이득과 반사 보조 beamforming 이득을 효과적으로 향상시켜 신호 대 간섭 및 노이즈 비율(SINR)을 향상시킴을 입증한다.
• 지연 최소화를 위한 최적의 작업 이동 비율은 장치의 계산 속도, 채널 속도 및 작업 크기에 따라 닫힌 형태로 유도되었다.
• 제안된 방법은 하위문제에서 엄밀한 볼록성을 확보하여 KKT 조건을 통한 신뢰성 있는 수렴과 최적 해를 보장한다.