[论文解读] Resilient Design of 5G Mobile-Edge Computing Over Intermittent mmWave Links

Nicola di Pietro, Mattia Merluzzi+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2019

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 33被引用 15

一句话总结

本文提出了一种针对5G移动边缘计算在间歇性毫米波链路下的弹性设计，通过利用多链路通信和前向纠错编码，在满足时延约束的前提下最小化用户设备的发射功率。结果表明，通过多波束进行编码传输可显著降低中断概率和功耗，尤其在障碍物密度较高的情况下，即使在传播环境恶劣时也优于非编码方案。

ABSTRACT

Two enablers of the 5th Generation (5G) of mobile communication systems are the high data rates achievable with millimeter-wave radio signals and the cloudification of the network's mobile edge, made possible also by Multi-access Edge Computing (MEC). In 5G networks, user devices may exploit the high capacity of their mobile connection and the computing capabilities of the edge cloud to offload computational tasks to MEC servers, which run applications on devices' behalf. This paper investigates new methods to perform power- and latency-constrained offloading. First, aiming to minimize user devices' transmit power, the opportunity to exploit concurrent communication links between the device and the edge cloud is studied. The optimal number of channels for simultaneous transmission is characterized in a deterministic and a probabilistic scenario. Subsequently, blocking events that obstruct millimeter-wave channels making them `intermittent' are considered. Resource overprovisioning and error-correcting codes against asymmetric block erasures are proposed to jointly contrast blocking and exploit multi-link communications' diversity. The asymmetric block-erasure channel is characterized by a study of its outage probability. The analysis is performed in a framework that yields closed-form expressions. These, together with corroborating numerical results, are intended to provide reference points and bounds to optimal performance in practical applications.

研究动机与目标

• 解决5G移动边缘计算（MEC）中毫米波通信的高路径损耗与间歇性连接问题。
• 在计算卸载的严格时延约束下，最小化用户设备（UE）的发射功率。
• 设计鲁棒的通信策略，以应对毫米波频段典型的长期遮挡问题。
• 评估在多波束上采用编码传输相较于非编码多链路方案的性能增益。
• 为非对称阻塞擦除信道提供中断概率与功率优化的闭式表达式。

提出的方法

• 构建一个多链路计算卸载模型，其中用户设备同时通过多个毫米波波束向不同的MEC接入点（APs）发送信号。
• 在确定性和概率性场景下，使用闭式表达式表征最优发射功率与激活链路数。
• 将毫米波信道建模为非对称阻塞擦除信道，由于间歇性遮挡导致整个时隙的信号擦除。
• 提出资源过量配置以缓解短期遮挡，并利用低速率前向纠错码恢复长期遮挡造成的损失。
• 基于阻塞擦除信道模型推导编码系统的中断概率，并优化编码率以最小化发射功率。
• 通过使用真实AP部署与障碍物分布的蒙特卡洛仿真，验证理论结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在时延约束下，用户设备应同时使用多少条毫米波链路才能最小化发射功率？
• RQ2 在多链路毫米波卸载系统中，中断概率如何随障碍物密度变化？
• RQ3 在长期遮挡存在的情况下，前向纠错码能在多大程度上降低发射功率与中断概率？
• RQ4 编码传输是否能在中断概率与功率效率两方面均优于最佳可能的非编码策略（例如仅使用最强链路）？
• RQ5 在非对称阻塞擦除环境中，编码率与波束分集如何共同影响系统性能？

主要发现

• 在每300m×300m区域内障碍物密度介于75至175个之间时，采用编码率 $ R_{\text{C}} = 0.5 $ 的编码传输相比最优非编码策略，平均发射功率降低5 dBm。
• 在所有测试的障碍物密度下，编码方案的中断概率均优于任何非编码传输策略，包括使用单一最强链路的情况。
• 在低障碍物环境（$ \rho < 75 $）下，非编码多链路传输已足够且比编码更节能，表明当遮挡稀少时编码并非必要。
• 所提出的编码多链路方案在高遮挡率下能将中断概率保持在5%以下，且所需发射功率显著低于非编码方案。
• 理论分析得出了中断概率与最优功率分配的闭式表达式，可提供性能边界与设计指导。
• 资源过量配置与编码相结合，为间歇性毫米波信道提供了鲁棒解决方案，能有效缓解短期与长期遮挡。