[논문 리뷰] Achieving Low-Latency Mobile Edge Computing by Uplink and Downlink Decoupled Access in HetNets.

Ali Al-Shuwaili, Ahmed Q. Lawey|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 13.

IoT and Edge/Fog Computing참고 문헌 8인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 이질적 네트워크(HetNets)에서 업링크 및 다운링크 분리 액세스를 제안하여 모바일 엣지 컴퓨팅(MEC) 시스템에서 종단 간 오프로딩 지연을 줄인다. 스토하스틱 기하학 분석을 활용해 업링크 및 다운링크 연결이 서로 다른 기지국과 연결되도록 허용함으로써, 두 기지국 간 추가적인 백홀 지연이 존재하더라도 전통적인 결합된 연결 방식보다 낮은 지연을 달성한다.

ABSTRACT

Despite the physical proximity of computationally-enhanced Base Stations (BSs) in Mobile Edge Computing (MEC) systems, achieving an end-to-end low-latency for computations offloading is still a critical design problem. This is because the offloading of computational tasks via the MEC or cloudlet servers entails the use of uplink and downlink radio links that are usually assumed to be coupled to a single BS. However, for heterogeneous networks, a new architectural paradigm whereby uplink and downlink are not associated with the same BS is proposed and seen to provide gains in network throughput. Motivated by such gains, and by using typical results from stochastic geometry, we formulate the offloading latency for the MEC-based scheme with decoupled UL/DL association, or decoupled access, and compare its performance to the conventional coupled or single association scheme. Despite the extra backhaul delay necessary for the communication between the two serving BSs in UL and DL, the MEC-based offloading scheme with decoupled association is still capable of providing a fairly lower offloading latency as compared to the conventional offloading scheme with coupled association.

연구 동기 및 목표

• 강화된 기지국이 물리적으로 가까운 상황에서도 모바일 엣지 컴퓨팅(MEC) 시스템에서 저지연 태스크 오프로딩을 달성하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해.
• 이종 네트워크(HetNets)에서 업링크 및 다운링크 연결을 분리함으로써 종단 간 오프로딩 지연을 줄일 수 있는지 조사하기 위해.
• MEC 기반 오프로딩 기법에서 분리된 액세스 방식과 기존의 결합된 연결 방식 간 성능를 비교하기 위해.
• 분리된 액세스 아키텍처에서 백홀 지연과 무선 링크 성능 향상 사이의 트레이드오프를 정량화하기 위해.

제안 방법

• 스토하스틱 기하학 도구를 사용하여 업링크 및 다운링크 분리 연결 하에서 MEC 기반 시스템의 오프로딩 지연을 수식화한다.
• 업링크 및 다운링크에 대해 다수의 기지국(BS) 티어를 포함하는 이종 레이어 셀룰러 네트워크로 네트워크를 모델링한다.
• 업링크 및 다운링크가 서로 다른 기지국과 연결되도록 가정하여, 무선 액세스의 독립적 최적화를 가능하게 한다.
• 스토하스틱 기하학의 일반적인 결과를 활용하여 분리된 연결 조건 하에서의 커버리지 확률과 평균 오프로딩 지연을 유도한다.
• 유도된 지연을 업링크 및 다운링크가 동일한 기지국에 연결된 전통적인 결합된 연결 방식의 지연과 비교한다.
• 서버링 업링크 및 다운링크 기지국 간 추가적인 백홀 지연을 지연 모델에 반영한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 결합된 연결 방식에 비해 이종 네트워크(HetNets)에서 업링크 및 다운링크 연결을 분리함으로써 종단 간 오프로딩 지연을 줄일 수 있는가?
• RQ2 분리된 액세스에서 업링크 및 다운링크 서버링 기지국 간의 백홀 지연이 전체 오프로딩 지연에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 MEC 오프로딩에서 분리된 액세스로 인한 무선 링크 품질 향상의 이점은 기지국 간 백홀 신호 전송 비용과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 어떤 네트워크 조건에서 분리된 액세스가 지연 측면에서 결합된 연결 방식을 능가하는가?
• RQ5 분리된 MEC 오프로딩에서 무선 링크 성능와 백홀 오버헤드 사이의 트레이드오프는 무엇인가?

주요 결과

• MEC 기반 오프로딩 기법에서 업링크 및 다운링크 연결을 분리함으로써 기존의 결합된 연결 방식보다 낮은 종단 간 오프로딩 지연을 달성한다.
• 업링크 및 다운링크 서버링 기지국 간 추가적인 백홀 지연이 존재하더라도, 무선 링크 품질 향상 덕분에 전체 지연은 여전히 감소한다.
• 분리된 액세스로 인한 성능 향상은 백홀 통신의 비용을 지연 예산 내에서 상쇄할 만큼 충분히 크다.
• 스토하스틱 기하학 분석은 일반적인 네트워크 조건 하에서 분리된 연결이 커버리지 확률을 향상시키고 지연을 감소시킴을 확인한다.
• 무선 링크 품질이 티어 간으로 크게 변동하는 고밀도 HetNets에서는 특히 효과적인데, 이는 분리된 액세스가 높은 성능 향상을 제공하기 때문이다.
• 백홀 지연이 무시할 만큼 크지 않은 경우에도 성능 향상이 뚜렷하여, 실제 MEC 구현에서 분리된 액세스의 실용성이 높다는 것을 시사한다.