【论文分享01】多接入边缘计算所支持的异构网络:一种新颖的体系结构和一些未来的挑战

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论文题目:Multi-Access Edge Computing Empowered Heterogeneous Networks: A Novel Architecture and Potential Works

作者:June-Woo Ryu,Quoc-Viet Pham,N. T. Huynh Luan,Won-Joo Hwang,Jong-Deok Kim,Jung-Tae Lee

论文发表于期刊 Symmetry(2019年7月)

摘要:解决访问密集型应用程序和计算受限的终端设备之间不匹配的最有前途的方法之一是多接入边缘计算(MEC)。为了克服业务量的快速增长和减轻宏小区的业务负担,大量的小型小区已经被部署,也所谓的异构网络(HetNets)。在 MEC 和 HetNets 的结合和强烈推动下,该文提出了一种具有 MEC 功能的 HetNets 架构,其中支持无线和有线的回程解决方案,飞行基站(BS)可以配备MEC服务器,并且移动用户(MU)既需要通信资源,又需要计算资源,才能完成繁重的计算任务。随后, 该文 提出了以MEC为基础的无人飞行器(UAV)辅助异构网络中的任务卸载和资源分配的研究进展摘要。最后, 该文 重点介绍了接下来的关键挑战和未来的研究方向。

伴随着 MEC 和 HetNets 的结合 、无线和有线回程在 MEC 部署中的共存, 以及在灾难和紧急情况下无人机增强了网络连接可用性,5G 网络将被高度集成。该文为基于 MEC 的无人机辅助 HetNets 构想了一个体系结构。

上图展示了该文所设想的具有 MEC 功能的 HetNet 的体系结构,其中考虑了各种通信和计算资源。其中,宏基站(MBS)可以是一个无线蜂窝塔,它在多个网络运营商之间共享,以物理方式放置其各个基站。为了向移动用户提供内容和服务,宏基站通过专用光纤连接到一个或一组MEC服务器。MEC 和 HetNets 的结合支持常规有线和无线回程的共存,以便灵活地适应实际的网络状态以部署小型小区。

例如,由于难以到达的部署位置,小型小区1和3通过无线回程链路连接到宏小区,而小型小区2可以通过常规的有线回程连接从宏小区转发和接收的数据。在这种情况下,小型基站1和3中移动用户的计算首先通过无线回程链路将数据传输到宏基站,然后通过光纤连接传输到MEC服务器。相反,由于小型小区2通过有线回程连接到宏小区,因此与小型小区2相关联的移动用户可以忽略有线回程上的漫游时间。类似地,移动用户1直接与宏基站关联,因此计算时间要由启动时间(从其自身到宏基站的传输时间)和实际计算时间(消耗 MEC 服务器上有限的计算资源所花费的时间)组成。

为了增强具有 MEC 功能的 HetNet 的计算能力并保证自然灾害和紧急情况的覆盖范围和服务,带有计算资源的无人飞行器安装的基站被视为所构想体系结构的一部分。以下考虑了两种潜在的使用场景,以支持启用了无人机和 MEC 的 HetNets。

首先,由于发生大地震后,传统的地面通信基础设施可能会损坏或部分失灵,因此可以使用无人机;

  • 收集信息,例如建筑物和工厂的图片,以便远程评估站点损坏;
  • 寻找地震后的人员进行紧急救援行动;
  • 为移动用户提供基本服务。

无人机的另一个用例是用于人群事件,例如足球比赛。在比赛过程中,现有的 MEC 服务器可能无法满足大量计算并无法提供其他服务。因此,更多的安装在无人机上的 MEC 服务器可用于

  • 监视非法活动;
  • 在虚拟现实中生成360度足球比赛。

该体系结构将 MEC 和 HetNets 的功能相互融合,并且考虑了有线和无线回程以及无人机所提供的网络链接,具有非常丰富的使用场景。但与此同时,该文提出的体系结构也带来了新的挑战和更多可研究的问题。

挑战1:联合干预管理和卸载决策

在 HetNets 中,当小区间干扰(ICI)变得严重时,无线回程容量可能会严重降低。一方面,无线回程只能支持几 Gbps 的速率,并且这比传统的可以提供数百Gbps速率的有线回程的传输条件要严苛的多。另一方面,虽然不像有线回程那样容量是固定的,但无线回程下分配带宽资源非常灵活。

挑战2:联合用户集群和卸载决策

由于卸载决策的集中优化要求所有移动用户将其本地信息报告给中央实体,这可能会导致巨大的网络范围内的计算开销。另外,通常采用启发式方案来解决卸载的集中计算,并且中央实体在无线网络中并不总是管用。因此非常需要分布式方法,其中每个移动用户可以仅通过本地信息或有限的信息交换来独立地完成卸载决策。

挑战3:分层和协作的计算卸载

5G 的发展主要由三类驱动:增强型移动宽带,大规模物联网和关键任务服务。第一类目标是需要极高数据速率和极大容量的任务,第二类目标是为大量具有超高密度、超低能耗和超高可扩展性的物联网设备提供服务,第三类目标是对安全性,超高可靠性和超低延迟有高要求的关键应用。在这种情况下,具有大量计算和延迟等待时间的应用程序的物联网设备(第二类目标)由于其强大的计算能力(例如中央云和宏MEC)而倾向于将其计算分散到高层服务器上。相比之下,具有延迟关键型应用程序的物联网设备由于靠近用户而更倾向于使用低层 MEC 服务器,例如小型MEC服务器。

挑战4:联合用户集群和 MEC 服务器选择

当宏基站是多运营商无线塔式服务器时,可能会将多个 MEC 服务器物理并置在同一站点中。除了因各种回程解决方案而引起的用户关联问题外,还需要一种有效的方案来为流失的用户选择合适的MEC服务器。

挑战5:NOMA 协助的 MEC 网络

最近,对启用非正交多址接入(NOMA)的 MEC 网络的一些研究报告说,将 NOMA 和 MEC 结合使用可以减少能耗和等待时间。但是,现有工作仅限于单服务器 MEC 网络的特定方案。例如,考虑到漫游用户的集合而不考虑小区间干扰的话,通过共同优化用户群集、资源分配和每个群集的发射功率控制,可以将漫游用户的能耗降至最低。

个人总结:

这篇论文首先介绍了单服务器MEC网络中的计算卸载和资源分配,其次提出了一个带有 MEC 的新型 HetNets 框架,最后讨论了该体系结构引起的五个挑战和未解决的问题。第一部分计算卸载和资源分配的介绍算是科普,介绍的十分详细,也算是为后面自己提出的体系结构做引子,毕竟后面的体系结构就是在现有的体系结构中考虑了更多的情况下完善的。第二部分提出的基于 MEC 的 HetNets 的体系结构具有极高的参考价值,我认为美中不足的是对于当作移动基站使用的无人机应用较少,未来可以在这方面多扩展一下。第三部分描述的五个挑战和问题也为未来的研究指明了道路,这都是可以选择的研究方向。其中我比较在意的是NOMA协助的MEC网络。我已经在很多篇论文中看到 NOMA,这是 5G 下的新型多址接入复用方式,主要是通过结合串行干扰消除或解调来取得极限网络容量。将 5G 与 MEC 相结合的概念可能太大,我可以从 NOMA 入手,解决 MEC 环境下的一部分通信问题,会有更高的可行性。

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