[논문 리뷰] Multiple Access Computational Offloading: Communication Resource Allocation in the Two-User Case (Extended Version)

Mahsa Salmani, Timothy N. Davidson|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 14.

IoT and Edge/Fog Computing참고 문헌 21인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 계산 이동 기능을 갖춘 이중 사용자 모바일 엣지 컴퓨팅 시스템을 대상으로 통신 자원 할당 최적화 프레임워크를 제안하며, 다양한 다중접근 방식 하에서 에너지 최소화를 분석한다. 분할 불가능한 작업과 무한소형으로 분할 가능한 작업에 대해 닫힌 형태 및 준닫힌 형태의 해를 도출하여, 채널 이득이 비대칭이고 지연 제약 조건이 엄격할 경우, 전체 다중접근 채널 활용이 TDMA에 비해 에너지 소비를 크게 감소시킨다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

By offering shared computational facilities to which mobile devices can offload their computational tasks, the mobile edge computing framework is expanding the scope of applications that can be provided on resource-constrained devices. When multiple devices seek to use such a facility simultaneously, both the available computational resources and the available communication resources need to be appropriately allocated. In this manuscript, we seek insight into the impact of the choice of the multiple access scheme by developing solutions to the mobile energy minimization problem in the two-user case with plentiful shared computational resources. In that setting, the allocation of communication resources is constrained by the latency constraints of the applications, the computational capabilities and the transmission power constraints of the devices, and the achievable rate region of the chosen multiple access scheme. For both indivisible tasks and the limiting case of tasks that can be infinitesimally partitioned, we provide a closed-form and quasi-closed-form solution, respectively, for systems that can exploit the full capabilities of the multiple access channel, and for systems based on time-division multiple access (TDMA). For indivisible tasks, we also provide quasi-closed-form solutions for systems that employ sequential decoding without time sharing or independent decoding. Analyses of our results show that when the channel gains are equal and the transmission power budgets are larger than a threshold, TDMA (and the suboptimal multiple access schemes that we have considered) can achieve an optimal solution. However, when the channel gains of each user are significantly different and the latency constraints are tight, systems that take advantage of the full capabilities of the multiple access channel can substantially reduce the energy required to offload.

연구 동기 및 목표

• 다중 사용자 계산 이동 기능에서 이동 단말기의 에너지 소비를 최소화하는 중심집중식 자원 할당 전략을 개발한다.
• 특히 전체 채널 능력 활용과 TDMA 간의 비교를 통해 다중접근 방식의 영향을 분석하여 이동 기능의 에너지 효율성에 기여한다.
• 분할 불가능한 작업과 분할 가능한 작업에 대해 에너지 최소화를 위한 닫힌 형태 및 준닫힌 형태의 해를 도출한다.
• 비대칭 채널 조건 하에서 기존의 TDMA와 같은 전통적 방식에 비해 고급 다중접근 기술의 성능 향상을 평가한다.
• 지연, 전력, 채널 활용도 간의 상호 상충 관계를 분석하여 실용적인 이동 기능 시스템 설계에 통찰을 제공한다.

제안 방법

• 공유 엣지 서버에 이동을 위한 두 사용자에 대한 통신 및 계산 자원 할당 문제를 통합적으로 수립한다.
• 분할 불가능한 작업에 대해 전체 다중접근 채널 활용 및 TDMA의 경우 에너지 최소화를 위한 닫힌 형태의 해를 도출한다.
• 분할 가능한 작업 및 혼합된 작업 유형에 대해 좌표 강하 알고리즘을 사용하여 준닫힌 형태의 문제를 해결한다.
• 지연 요구 조건, 전송 전력 제한 및 다양한 다중접근 방식의 가능 수신률 영역에 대한 제약 조건을 통합한다.
• 최적의 전체 능력 시스템과 비교하여 부분적으로 최적화된 해법을 분석하기 위해 순차적 복원 및 독립적 복원 모델을 적용한다.
• 최적 상태에서 활성 지연 제약 조건으로부터 유도된 등식 제약 조건을 활용하여 최적화 문제의 차원을 감소시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중접근 방식의 선택은 이중 사용자 시스템에서 이동 계산 이동 기능의 에너지 효율성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 TDMA가 전체 능력 다중접근과 비교하여 최적의 에너지 성능을 달성하는 채널 조건과 전력 조건은 무엇인가?
• RQ3 분할 불가능한 작업과 분할 가능한 작업이 존재할 경우, 에너지 최소화 자원 할당에 대한 닫힌 형태 또는 준닫힌 형태의 해는 무엇인가?
• RQ4 비대칭 채널 이득과 엄격한 지연 제약 조건은 고급 다중접근 기술과 기존의 다중접근 기술 간의 성능 격차에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 활성 지연 제약 조건에서 유도된 등식 제약 조건을 활용하여 최적화 문제의 차원을 감소시킬 수 있는가?

주요 결과

• 채널 이득이 동일하고 전송 전력이 임계값을 초과할 경우, TDMA는 최적의 에너지 성능을 달성한다.
• 채널 이득이 비대칭이고 지연 제약 조건이 엄격할 경우, 다중접근 채널의 전체 능력을 활용하는 시스템은 TDMA에 비해 상당히 낮은 에너지 소비를 기록한다.
• 분할 불가능한 작업의 경우, 전체 능력 및 TDMA 방식에 대해 닫힌 형태의 해를 도출하였고, 순차적 및 독립적 복원의 경우 준닫힌 형태의 해를 확보하였다.
• 혼합된 작업 유형(분할 불가능 및 분할 가능한 작업)에 대한 최적화 문제는 활성 지연 제약 조건에서 유도된 등식 제약 조건을 활용하여 차원이 감소되었다.
• 감소된 문제에서 목적 함수는 각 변수에 대해 준볼록성을 유지하여 좌표 강하 알고리즘을 통한 수렴이 가능하다.
• 유도된 해는 고급 다중접근 기술이 비대칭 채널 환경에서 이동 단말기의 에너지 소비를 상당히 줄일 수 있음을 입증한다.