KR102643816B1 - Offloading wireless communication system for improving energy efficiency based on spatial division multiple access - Google Patents
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Abstract
본 발명의 오프로딩 무선 통신 시스템은 제1 데이터에 대해 연산 처리를 수행하는 디바이스로부터 상기 제1 데이터에 대한 연산 처리 결과인 제1 처리 데이터와 제2 데이터를 수신하고, 상기 제2 데이터에 대해 연산 처리를 수행하여 제2 처리 데이터를 생성하는 서버를 포함하고, 상기 서버는 상기 제1 처리 데이터 및 상기 제2 처리 데이터에 기초하여 오프로딩과 관련된 복수의 파라미터를 산출할 수 있다.The offloading wireless communication system of the present invention receives first processed data and second data, which are results of computational processing on the first data, from a device that performs computational processing on the first data, and operates on the second data. and a server that performs processing to generate second processed data, wherein the server can calculate a plurality of parameters related to offloading based on the first processed data and the second processed data.
Description
본 발명은 무선 통신 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 효율적인 데이터 오프로딩을 위한 무선 통신 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to wireless communication systems, and more particularly, to wireless communication systems and methods for efficient data offloading.
최근, 사물 인터넷의 발달로 스마트폰, 웨어러블 기기, 스마트 센서 등 모바일 기기의 인기가 높아지면서 모바일에서 새로운 어플리케이션을 실행하는 것에 대한 사용자들의 기대도 높아지고 있다. 그러나, 모바일 기기는 크기의 제한으로 인해 비교적 성능이 낮은 프로세서와 용량이 낮은 배터리를 가져, 고도의 연산과 저지연 서비스를 요구하는 새로운 어플리케이션을 실행시키기 어려운 문제가 있다.Recently, with the development of the Internet of Things, the popularity of mobile devices such as smartphones, wearable devices, and smart sensors has increased, and users' expectations for running new applications on mobile devices are also increasing. However, due to size limitations, mobile devices have relatively low-performance processors and low-capacity batteries, making it difficult to run new applications that require high-level computation and low-latency services.
이러한 문제를 해결하기 위해, 모바일 기기가 계산 작업을 네트워크 엣지에 위치한 인근 엣지 서버로 오프로드할 수 있는 오프로딩 엣지 컴퓨팅이 활용되고 있다. 오프로딩 엣지 컴퓨팅 시스템에서, 모바일 기기는 일반적으로 에너지 공급이 제한적이기 때문에, 데이터 통신 및 컴퓨팅에 소모되는 에너지를 효율적으로 사용하는 것이 매우 중요하다. 따라서, 데이터 오프로딩에 사용되는 여러 변수를 최적화할 필요가 있다.To solve this problem, offloading edge computing is being utilized, which allows mobile devices to offload computational tasks to nearby edge servers located at the edge of the network. In offloading edge computing systems, mobile devices generally have limited energy supply, so it is very important to efficiently use the energy consumed for data communication and computing. Therefore, there is a need to optimize several variables used for data offloading.
본 발명의 일 과제는 오프로딩과 관련된 복수의 파라미터를 산출하는 오프로딩 무선 통신 시스템에 관한 것이다.One object of the present invention relates to an offloading wireless communication system that calculates a plurality of parameters related to offloading.
일 실시예에 따른 오프로딩 무선 통신 시스템은 제1 데이터에 대해 연산 처리를 수행하는 디바이스로부터 상기 제1 데이터에 대한 연산 처리 결과인 제1 처리 데이터와 제2 데이터를 수신하고, 상기 제2 데이터에 대해 연산 처리를 수행하여 제2 처리 데이터를 생성하는 서버를 포함하고, 상기 서버는 상기 제1 처리 데이터 및 상기 제2 처리 데이터에 기초하여 오프로딩과 관련된 복수의 파라미터를 산출할 수 있다.An offloading wireless communication system according to an embodiment receives first processed data and second data, which are results of operation processing on the first data, from a device that performs operation processing on the first data, and sends the second data to the second data. and a server that generates second processed data by performing computational processing on the data, and the server can calculate a plurality of parameters related to offloading based on the first processed data and the second processed data.
여기서, 상기 서버는 상기 복수의 파라미터에 대한 정보를 상기 디바이스로 전송하고, 상기 디바이스는 수신한 상기 복수의 파라미터에 대한 정보에 기초하여 데이터 전송과 관련된 파라미터를 설정할 수 있다.Here, the server transmits information about the plurality of parameters to the device, and the device can set parameters related to data transmission based on the received information about the plurality of parameters.
여기서, 상기 서버는 상기 복수의 파라미터에 기초하여 데이터 수신과 관련된 파라미터 및 데이터 처리와 관련된 파라미터를 설정할 수 있다.Here, the server may set parameters related to data reception and parameters related to data processing based on the plurality of parameters.
여기서, 상기 복수의 파라미터는 상기 제2 데이터의 다운로드 시간, 상기 제2 데이터의 오프로드 시간, 상기 디바이스의 전송 전력, 로컬 CPU의 주파수, 상기 로컬 CPU의 컴퓨팅 시간 및 다운링크 빔포밍 벡터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.Here, the plurality of parameters are at least one of a download time of the second data, an offload time of the second data, a transmission power of the device, a frequency of the local CPU, a computing time of the local CPU, and a downlink beamforming vector. may include.
여기서, 상기 서버는 상기 제1 처리 데이터에 포함된 상기 디바이스가 계산한 비트 수 및 상기 디바이스의 에너지 소비량과, 상기 제2 처리 데이터에 포함된 상기 서버가 계산한 비트 수 및 상기 서버의 에너지 소비량에 기초하여, 오프로딩의 에너지 효율성을 산출할 수 있다.Here, the server determines the number of bits calculated by the device included in the first processed data and the energy consumption of the device, and the number of bits calculated by the server included in the second processed data and the energy consumption of the server. Based on this, the energy efficiency of offloading can be calculated.
여기서, 상기 에너지 효율성 는, (: 디바이스가 계산한 비트 수, : 서버가 계산한 비트 수, : 디바이스의 에너지 소모량, : 기지국 및 서버의 에너지 소모량, : 기지국 및 서버 에너지 기여 비율)에 의해 산출되고, 상기 서버 에너지 기여 비율 는 0 내지 1 범위에서 변동 가능할 수 있다.where the energy efficiency Is, ( : Number of bits calculated by the device, : Number of bits calculated by the server, : Energy consumption of the device, : Energy consumption of base stations and servers, : Calculated by the base station and server energy contribution ratio), and the server energy contribution ratio may be variable in the range of 0 to 1.
일 실시예에 따른 오프로딩 무선 통신 방법은 적어도 하나 이상의 프로세서에 의해 수행되는 오프로딩 무선 통신 방법에 있어서, 디바이스로부터 제1 데이터에 대한 연산 처리 결과인 제1 처리 데이터와 제2 데이터를 수신하는 단계; 상기 제2 데이터에 대해 연산 처리를 수행하여 제2 처리 데이터를 생성하는 단계; 및 상기 제1 처리 데이터 및 상기 제2 처리 데이터에 기초하여 오프로딩과 관련된 복수의 파라미터를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.An offloading wireless communication method according to an embodiment is an offloading wireless communication method performed by at least one processor, comprising the steps of receiving first processed data and second data that are results of processing the first data from a device. ; generating second processed data by performing computational processing on the second data; and calculating a plurality of parameters related to offloading based on the first processed data and the second processed data.
여기서, 상기 디바이스가 상기 복수의 파라미터에 기초하여 데이터 전송과 관련된 파라미터를 설정하도록, 상기 복수의 파라미터에 대한 정보를 상기 디바이스로 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.Here, the method may further include transmitting information about the plurality of parameters to the device so that the device sets parameters related to data transmission based on the plurality of parameters.
여기서, 상기 복수의 파라미터에 기초하여 데이터 수신과 관련된 파라미터 및 데이터 처리와 관련된 파라미터를 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.Here, the method may further include setting parameters related to data reception and parameters related to data processing based on the plurality of parameters.
여기서, 상기 복수의 파라미터는 상기 제2 데이터의 다운로드 시간, 상기 제2 데이터의 오프로드 시간, 상기 디바이스의 전송 전력, 로컬 CPU의 주파수, 상기 로컬 CPU의 컴퓨팅 시간 및 다운링크 빔포밍 벡터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.Here, the plurality of parameters are at least one of a download time of the second data, an offload time of the second data, a transmission power of the device, a frequency of the local CPU, a computing time of the local CPU, and a downlink beamforming vector. may include.
여기서, 상기 제1 처리 데이터에 포함된 상기 디바이스가 계산한 비트 수 및 상기 디바이스의 에너지 소비량과, 상기 제2 처리 데이터에 포함된 상기 서버가 계산한 비트 수 및 상기 서버의 에너지 소비량에 기초하여, 오프로딩의 에너지 효율성을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.Here, based on the number of bits calculated by the device and the energy consumption of the device included in the first processed data, and the number of bits calculated by the server and the energy consumption of the server included in the second processed data, A step of calculating the energy efficiency of offloading may be further included.
여기서, 상기 오프로딩의 에너지 효율성을 산출하는 단계는, (: 디바이스가 계산한 비트 수, : 서버가 계산한 비트 수, : 디바이스의 에너지 소모량, : 기지국 및 서버의 에너지 소모량, : 기지국 및 서버 에너지 기여 비율)에 의해 에너지 효율성을 산출하는 단계; 및 상기 서버 에너지 기여 비율 를 0 내지 1 범위에서 설정하는 단계를 포함할 수 있다.Here, the step of calculating the energy efficiency of offloading is, ( : Number of bits calculated by the device, : Number of bits calculated by the server, : Energy consumption of the device, : Energy consumption of base stations and servers, : Calculating energy efficiency by base station and server energy contribution ratio); and the server energy contribution rate It may include setting in the range of 0 to 1.
여기서, 상기 오프로딩 무선 통신 방법을 실행시키도록 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램이 제공될 수 있다.Here, a computer program stored in a computer-readable recording medium may be provided to execute the offloading wireless communication method.
본 발명의 일 실시예에 따르면 데이터를 분석하여 복수의 파라미터를 최적화하고, 최적화한 파라미터를 적용하여 데이터 오프로딩의 효율성을 증가시킬 수 있는 오프로딩 무선 통신 시스템이 제공될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, an offloading wireless communication system can be provided that can analyze data, optimize a plurality of parameters, and increase the efficiency of data offloading by applying the optimized parameters.
도 1은 일 실시예에 따른 오프로딩 무선 통신 시스템의 환경도이다.
도 2는 오프로딩 무선 통신 시스템의 데이터 오프로딩 과정을 시계열적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 오프로딩 무선 통신의 효율성을 향상시키기 위한 복수의 파라미터를 산출하는 방법의 순서도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 최적화 파라미터를 산출하기 위한 과정 중 일부에 대한 순서도이다.1 is an environmental diagram of an offloading wireless communication system according to an embodiment.
Figure 2 is a diagram for explaining the data offloading process of an offloading wireless communication system in time series.
Figure 3 is a flowchart of a method for calculating a plurality of parameters to improve the efficiency of offloading wireless communication according to an embodiment.
Figure 4 is a flowchart of a portion of the process for calculating optimization parameters according to an embodiment.
본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 명확히 설명하기 위한 것이므로, 본 발명이 본 명세서에 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범위는 본 발명의 사상을 벗어나지 아니하는 수정예 또는 변형예를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.The embodiments described in this specification are intended to clearly explain the idea of the present invention to those skilled in the art to which the present invention pertains, and the present invention is not limited to the embodiments described in this specification, and the present invention is not limited to the embodiments described in this specification. The scope should be construed to include modifications or variations that do not depart from the spirit of the present invention.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하여 가능한 현재 널리 사용되고 있는 일반적인 용어를 선택하였으나 이는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자의 의도, 판례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 다만, 이와 달리 특정한 용어를 임의의 의미로 정의하여 사용하는 경우에는 그 용어의 의미에 관하여 별도로 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가진 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 한다.The terms used in this specification are general terms that are currently widely used as much as possible in consideration of their function in the present invention, but this may vary depending on the intention of those skilled in the art, precedents, or the emergence of new technology in the technical field to which the present invention belongs. You can. However, if a specific term is defined and used with an arbitrary meaning, the meaning of the term will be described separately. Therefore, the terms used in this specification should be interpreted based on the actual meaning of the term and the overall content of this specification, not just the name of the term.
본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명을 용이하게 설명하기 위한 것으로 도면에 도시된 형상은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 필요에 따라 과장되어 표시된 것일 수 있으므로 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니다.The drawings attached to this specification are intended to easily explain the present invention, and the shapes shown in the drawings may be exaggerated as necessary to aid understanding of the present invention, so the present invention is not limited by the drawings.
본 명세서에서 본 발명에 관련된 공지의 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 이에 관한 자세한 설명은 필요에 따라 생략하기로 한다.In this specification, if it is determined that a detailed description of a known configuration or function related to the present invention may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted as necessary.
도 1은 일 실시예에 따른 오프로딩 무선 통신 시스템의 환경도이다.1 is an environmental diagram of an offloading wireless communication system according to an embodiment.
도 1을 참조하면, 오프로딩 무선 통신 시스템(1000)은 서버(100) 및 하나 이상의 디바이스(200)를 포함할 수 있다. 서버(100)는 기지국(110) 및 기지국(110)의 하나 이상의 안테나를 통해 디바이스(200)와 통신할 수 있다.Referring to FIG. 1, the offloading wireless communication system 1000 may include a server 100 and one or more devices 200. Server 100 may communicate with device 200 through base station 110 and one or more antennas of base station 110.
서버(100)는 하나 이상의 디바이스(200)와 연결되어, 서로 통신 신호를 주고받을 수 있다. 도 1에는 도시되어 있지 않지만, 서버(100)와 디바이스(200) 사이에는 이들의 통신을 중계하는 장치가 존재할 수도 있다. 예를 들어, 서버(100)와 디바이스(200) 사이에 또 다른 엣지 컴퓨팅 디바이스가 존재하여, 서버(100)와 디바이스(200) 사이의 통신 신호를 전달할 수 있다. 즉, 서버(100)와 디바이스(200)는 거리에 제한 없이 서로 통신할 수 있다.The server 100 is connected to one or more devices 200 and can exchange communication signals with each other. Although not shown in FIG. 1, a device that relays communication between the server 100 and the device 200 may exist. For example, another edge computing device may exist between the server 100 and the device 200 to transmit communication signals between the server 100 and the device 200. That is, the server 100 and the device 200 can communicate with each other without distance restrictions.
일 실시예에 따르면, 서버(100)는 제어부, 통신부, 저장부 및 분석부를 포함할 수 있다. 그러나, 이들 구성 요소는 필수적인 것이 아니고, 서버(100)는 그보다 많은 구성 요소를 갖거나 그보다 적은 구성 요소를 가질 수 있다. 또한, 서버(100)의 각 구성 요소는 물리적으로 하나의 서버에 포함될 수도 있고, 각각의 기능 별로 분산된 분산 서버일 수 있다.According to one embodiment, the server 100 may include a control unit, a communication unit, a storage unit, and an analysis unit. However, these components are not essential, and server 100 may have more or fewer components. Additionally, each component of the server 100 may be physically included in one server, or may be a distributed server distributed for each function.
제어부는 서버(100)의 동작을 총괄할 수 있다. 구체적으로, 제어부는 통신부, 저장부 및 분석부에 제어 명령을 보내 각 부서의 동작을 실행할 수 있다.The control unit may oversee the operation of the server 100. Specifically, the control unit can send control commands to the communication unit, storage unit, and analysis unit to execute the operations of each department.
이하에서 특별한 언급이 없는 경우에, 서버(100)의 동작은 제어부의 제어에 의해 수행되는 것으로 해석될 수 있다.Unless otherwise specified below, the operation of the server 100 may be interpreted as being performed under the control of the control unit.
통신부는 서버(100)와 외부 기기를 연결하여 통신하도록 할 수 있다. 즉, 통신부는 외부 기기와 데이터를 송/수신할 수 있다. 예를 들어, 통신부는 디바이스(200)와 데이터를 주고받을 수 있다.The communication unit can connect the server 100 and an external device to communicate. In other words, the communication unit can transmit/receive data with external devices. For example, the communication unit may exchange data with the device 200.
일 실시예에 따르면, 통신부는 디바이스(200)로부터 연산 대상이 되는 데이터를 수신할 수 있다. 예를 들어, 통신부가 디바이스(200)로부터 수신하는 데이터는 게임 실행을 위한 데이터, 동영상 처리와 관련된 데이터, 이미지 처리와 관련된 데이터 등 용량이 크고 데이터 처리가 복잡한 멀티미디어 데이터일 수 있다.According to one embodiment, the communication unit may receive data to be calculated from the device 200. For example, the data that the communication unit receives from the device 200 may be multimedia data with large capacity and complex data processing, such as data for game execution, data related to video processing, and data related to image processing.
이와 같이 최근 복잡한 어플리케이션과 관련된 데이터는 디바이스(200) 내부에서 실시간으로 데이터를 처리할 수 없기 때문에, 디바이스(200)는 데이터의 일부를 서버(100)로 전송하여 서버(100)에 데이터 처리를 맡길 수 있다. 따라서, 서버(100)와 디바이스(200)에서 동시에 데이터를 처리함으로써, 어플리케이션의 실시간성을 보장할 수 있다.Since data related to recent complex applications cannot be processed in real time inside the device 200, the device 200 transmits part of the data to the server 100 and leaves the data processing to the server 100. You can. Therefore, by simultaneously processing data in the server 100 and the device 200, real-time performance of the application can be guaranteed.
통신부는 무선 통신 방식을 지원하는 통신 모듈일 수 있다. 예를 들어, 통신부는 와이파이(WiFi), 블루투스(Bluetooth), 지그비(Zigbee), BLE(Bluetooth Low Energy) 및 알에프아이디(RFID) 등의 통신 방식으로 외부 장치로부터 데이터를 획득할 수 있다.The communication unit may be a communication module that supports a wireless communication method. For example, the communication unit can obtain data from an external device through communication methods such as WiFi, Bluetooth, Zigbee, BLE (Bluetooth Low Energy), and RFID.
저장부는 서버(100)가 동작하는데 필요한 각종 데이터 및 프로그램을 저장할 수 있다. 저장부는 서버(100)가 외부 장치로부터 획득하는 데이터, 서버(100)의 로컬 컴퓨터가 계산한 데이터 및 계산 과정에서의 전력 정보 등을 저장할 수 있다.The storage unit can store various data and programs necessary for the server 100 to operate. The storage unit may store data acquired by the server 100 from an external device, data calculated by the local computer of the server 100, and power information during the calculation process.
저장부는 데이터를 임시적으로 또는 반영구적으로 저장할 수 있다. 저장부의 예로는 하드디스크(HDD: Hard Disk Drive), SSD(Solid State Drive), 플래쉬 메모리(flash memory), 롬(ROM: Read-Only Memory), 램(RAM: Random Access Memory) 또는 클라우드 스토리지(Cloud Storage) 등이 있을 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 저장부는 데이터를 저장하기 위한 다양한 모듈로 구현될 수 있다. 저장부는 서버(100)에 내장되는 형태나 탈부착 가능한 형태로 제공될 수 있다.The storage unit can store data temporarily or semi-permanently. Examples of storage include hard disk drive (HDD), solid state drive (SSD), flash memory, read-only memory (ROM), random access memory (RAM), or cloud storage ( Cloud Storage), etc. However, the storage unit is not limited to this and may be implemented with various modules for storing data. The storage unit may be provided in a form built into the server 100 or in a detachable form.
분석부는 통신부에 의해 획득한 데이터를 분석 또는 연산하고, 데이터를 분류하고, 새로운 데이터를 생성할 수 있다. 이때, 분석부는 다양한 수학식을 이용하여 변수를 계산하는 등 데이터 연산을 수행할 수 있다.The analysis unit may analyze or calculate data acquired by the communication unit, classify the data, and generate new data. At this time, the analysis unit can perform data operations, such as calculating variables using various mathematical equations.
일 실시예에 따르면, 분석부는 연산하는 비트 수와 연산되는 데에 사용한 에너지를 산출할 수 있다. 구체적으로, 분석부는 로컬 CPU의 주사루와 프로세서 칩의 유효 정전 용량 계수 및 누수 전류 등을 이용하여 연산식에 의해 비트 수와 에너지를 산출할 수 있다.According to one embodiment, the analysis unit may calculate the number of bits to be operated and the energy used for the operation. Specifically, the analysis unit can calculate the number of bits and energy using arithmetic equations using the local CPU's scanning output and the effective capacitance coefficient and leakage current of the processor chip.
또한, 분석부는 오프로딩을 위해 사용되는 에너지와 오프로딩을 통해 전송할 수 있는 비트수를 산출할 수 있다. 구체적으로, 분석부는 소비하는 회로 전력을 이용하여 오프로딩을 위해 사용되는 에너지를 계산하고, 시스템 대역 폭, 유효 업링크 채널 이득 등을 이용하여 오프로딩을 통해 전송할 수 있는 비트수를 산출할 수 있다.Additionally, the analysis unit can calculate the energy used for offloading and the number of bits that can be transmitted through offloading. Specifically, the analysis unit calculates the energy used for offloading using the circuit power consumed, and calculates the number of bits that can be transmitted through offloading using the system bandwidth, effective uplink channel gain, etc. .
또한, 분석부는 계산 작업을 수행할 때에 서버가 소비하는 에너지와 시간을 산출할 수 있다. 구체적으로, 분석부는 다운링크 신호, 데이터 신호 및 데이터 신호의 빔포밍 벡터 등을 이용하여 에너지 및 시간을 산출할 수 있다.Additionally, the analysis unit can calculate the energy and time consumed by the server when performing calculation tasks. Specifically, the analysis unit can calculate energy and time using a downlink signal, a data signal, and a beamforming vector of the data signal.
또한, 분석부는 오프로딩 무선 통신 시스템(1000)의 에너지 효율성을 산출할 수 있다. 구체적으로, 서버(100)와 디바이스(200)에서 연산된 비트수와 연산할 때에 소모되는 에너지에 기초하여 에너지 효율성을 산출할 수 있다.Additionally, the analysis unit may calculate the energy efficiency of the offloading wireless communication system 1000. Specifically, energy efficiency can be calculated based on the number of bits calculated in the server 100 and the device 200 and the energy consumed during calculation.
또한, 분석부는 오프로딩의 효율성을 높이기 위해 복수의 파라미터를 산출할 수 있다. 구체적으로, 분석부는 여러 제약 조건 상황에서 복수의 파라미터에 대한 최적화된 수치를 계산할 수 있다.Additionally, the analysis unit can calculate multiple parameters to increase offloading efficiency. Specifically, the analysis unit can calculate optimized values for multiple parameters under various constraint conditions.
디바이스(200)는 전자 장치로서 비교적 작은 용량을 가진 모바일 기기일 수 있다. 디바이스(200)는 하드웨어적으로 전기적인 신호를 처리하여 다양한 기능(통신, 저장, 분석 등)을 수행하는 CPU 칩 등의 전자 회로 형태로 제공될 수 있다. 또한, 디바이스(200)는 소프트웨어적으로 다양한 기능을 수행하도록 구성된 프로그램 형태로 제공될 수 있다.The device 200 is an electronic device and may be a mobile device with a relatively small capacity. The device 200 may be provided in the form of an electronic circuit such as a CPU chip that processes electrical signals in hardware and performs various functions (communication, storage, analysis, etc.). Additionally, the device 200 may be provided in the form of a program configured to perform various functions in software.
오프로딩 무선 통신 시스템(1000)에서, 디바이스(200)는 처리할 데이터 중 일부는 디바이스(200) 내에서 처리하고, 나머지 일부를 서버(100)로 전송할 수 있다. 예를 들어, 디바이스(200)는 제1 데이터에 대해서는 디바이스(200) 내에서 연산 처리를 수행하고, 제2 데이터는 서버(100)로 전송할 수 있다. 이때, 디바이스(200)는 제2 데이터를 포함하는 제1 데이터 전송 신호(10)를 서버(100)로 전송할 수 있다.In the offloading wireless communication system 1000, the device 200 may process some of the data to be processed within the device 200 and transmit the remaining part to the server 100. For example, the device 200 may perform calculation processing on the first data within the device 200 and transmit the second data to the server 100. At this time, the device 200 may transmit the first data transmission signal 10 including the second data to the server 100.
서버(100)는 제1 데이터 전송 신호(10)를 수신하여, 제2 데이터에 대해 연산 처리를 수행할 수 있다. 서버(100)는 제2 데이터에 대해 연산 처리를 수행한 결과로 제2 처리 데이터를 생성할 수 있다. 디바이스(200)가 어플리케이션을 실행할 수 있도록, 서버(100)는 제2 처리 데이터를 디바이스(200)로 전송할 수 있다. 이때, 서버(100)는 제2 처리 데이터를 포함하는 제2 데이터 전송 신호(20)를 디바이스(200)로 전송할 수 있다.The server 100 may receive the first data transmission signal 10 and perform calculation processing on the second data. The server 100 may generate second processed data as a result of performing computational processing on the second data. The server 100 may transmit second processed data to the device 200 so that the device 200 can execute the application. At this time, the server 100 may transmit the second data transmission signal 20 including second processed data to the device 200.
서버(100)는 하나 이상의 디바이스에 대하여 데이터 처리를 수행할 수 있다. 서버(100)는 제1 디바이스(200), 제2 디바이스 내지 제N 디바이스 등 복수의 디바이스에 대하여 동시에 데이터를 송/수신하고, 데이터 처리를 수행할 수 있다. 이때, 서버(100)는 각 디바이스에서 수신한 데이터를 처리할 수 있도록, 메모리가 각 디바이스에 대응되도록 메모리를 할당할 수 있다.The server 100 may perform data processing on one or more devices. The server 100 can simultaneously transmit/receive data to and from a plurality of devices, such as the first device 200, second devices through N-th devices, and perform data processing. At this time, the server 100 may allocate memory so that the memory corresponds to each device so that it can process data received from each device.
도 2는 오프로딩 무선 통신 시스템의 데이터 오프로딩 과정을 시계열적으로 설명하기 위한 도면이다.Figure 2 is a diagram for explaining the data offloading process of an offloading wireless communication system in time series.
도 2를 참조하면, 오프로딩 무선 통신은 오프로딩 기간(D1), 로컬 CPU 컴퓨팅 기간(D2) 및 계산 결과 다운로딩 기간(D3)에 의해 수행될 수 있다. 이들 기간은 시계열적으로 D1, D2 이후 D3의 순서로 진행될 수 있다.Referring to FIG. 2, offloading wireless communication may be performed by an offloading period (D1), a local CPU computing period (D2), and a calculation result downloading period (D3). These periods may progress in time series in the order of D1, D2, and then D3.
오프로딩 기간(D1)은 디바이스(200)가 서버(100)로 전송할 데이터를 생성하는 과정 및 서버(100)가 상기 데이터를 수신하는 과정이 수행되는 기간일 수 있다. 이때, 서버(100)는 기지국(110)에 연결된 복수의 안테나를 통해 공간분할 다중접속 방식을 사용하여 하나 이상의 디바이스로부터 동시에 데이터를 수신할 수 있다.The offloading period D1 may be a period in which the device 200 generates data to be transmitted to the server 100 and the server 100 receives the data. At this time, the server 100 can simultaneously receive data from one or more devices using a spatial division multiple access method through a plurality of antennas connected to the base station 110.
디바이스(200)가 서버(100)로 전송할 데이터를 생성하는 과정은 어플리케이션 실행을 위해 처리해야 할 데이터 중 일부 데이터를 분할하는 과정일 수 있다. 또한 이때, 디바이스(200)는 데이터 처리 대상 데이터와 데이터 처리를 위해 필요한 정보를 모두 포함하는 별도의 데이터를 생성하는 과정일 수 있다.The process of generating data to be transmitted by the device 200 to the server 100 may be a process of dividing some of the data to be processed for application execution. Also, at this time, the device 200 may be in the process of generating separate data that includes both data to be processed and information necessary for data processing.
로컬 CPU 컴퓨팅 기간(D2)은 서버(100)가 수신한 데이터에 대해 데이터 처리 과정을 수행하는 기간일 수 있다. 서버(100)는 D2 기간 동안 로컬 CPU를 선택하고, 선택한 로컬 CPU에 데이터를 할당할 수 있다.The local CPU computing period (D2) may be a period in which the server 100 performs a data processing process on the received data. The server 100 may select a local CPU during the D2 period and allocate data to the selected local CPU.
D2 기간 동안, 로컬 CPU는 디바이스(200)로부터 수신한 데이터를 연산하고, 연산한 결과 데이터를 생성할 수 있다. 서버(100) 또는 로컬 CPU는 연산 과정에서 사용된 에너지와 계산된 비트 수에 대한 정보를 저장부에 계속적으로 저장할 수 있다.During the D2 period, the local CPU may calculate data received from the device 200 and generate data as a result of the calculation. The server 100 or the local CPU may continuously store information about the energy used in the calculation process and the number of calculated bits in the storage.
계산 결과 다운로딩 기간(D3)은 로컬 CPU가 계산한 데이터 처리 결과 데이터를 서버(100)의 통신부를 통해 디바이스(200)로 전송하는 기간일 수 있다. 또한 D3 기간은 서버(100)가 통신부를 통해 디바이스(200)로부터 디바이스(200) 자체적으로 계산한 비트 수와 계산하는 데에 소모한 에너지에 대한 정보를 수신하는 기간일 수 있다.The calculation result downloading period D3 may be a period in which data processing result data calculated by the local CPU is transmitted to the device 200 through the communication unit of the server 100. Additionally, the D3 period may be a period in which the server 100 receives information about the number of bits calculated by the device 200 and energy consumed for calculation from the device 200 through the communication unit.
서버(100)는 D3 기간 동안 또는 D3 기간 이후에, 로컬 CPU의 데이터 처리 결과 및 디바이스(200)의 데이터 처리 결과에 기초하여, 오프로딩 시스템과 관련된 복수의 파라미터를 최적화하기 위한 연산 과정을 수행할 수 있다.The server 100 performs a calculation process to optimize a plurality of parameters related to the offloading system based on the data processing results of the local CPU and the data processing results of the device 200 during or after the D3 period. You can.
도 3은 일 실시예에 따른 오프로딩 무선 통신의 효율성을 향상시키기 위한 복수의 파라미터를 산출하는 방법의 순서도이다.Figure 3 is a flowchart of a method for calculating a plurality of parameters to improve the efficiency of offloading wireless communication according to an embodiment.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 복수의 파라미터를 산출하는 방법은 제1 처리 데이터 및 제2 데이터를 수신하는 단계(S110), 제2 처리 데이터를 생성하는 단계(S120), 에너지 효율성을 산출하는 단계(S130), 복수의 파라미터를 산출하는 단계(S140) 및 파라미터를 설정하는 단계(S150)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3, a method of calculating a plurality of parameters according to an embodiment includes receiving first processed data and second data (S110), generating second processed data (S120), and calculating energy efficiency. It may include calculating a step (S130), calculating a plurality of parameters (S140), and setting parameters (S150).
제1 처리 데이터 및 제2 데이터를 수신하는 단계(S110)는 서버(100)가 디바이스(200)로부터 제1 처리 데이터 및 제2 데이터를 수신하는 단계일 수 있다. 이때, 서버(100)는 디바이스(200)로부터 제1 처리 데이터 및 제2 데이터를 동시에 수신할 수도 있고, 둘 중 일부를 먼저 수신할 수도 있다. 바람직하게는, 어플리케이션 실행에 대해 저지연 서비스를 제공하기 위해, 디바이스(200)는 제1 데이터를 처리하기 전에 제2 데이터를 서버(100)로 전송할 수 있다.The step of receiving the first processed data and the second data (S110) may be a step in which the server 100 receives the first processed data and the second data from the device 200. At this time, the server 100 may simultaneously receive the first processed data and the second data from the device 200, or may receive some of the two first. Preferably, in order to provide a low-latency service for application execution, the device 200 may transmit the second data to the server 100 before processing the first data.
구체적으로, 디바이스(200)는 제1 데이터에 대해 연산 처리를 수행하고, 제1 처리 데이터를 생성할 수 있다. 이때, 제1 처리 데이터에는 제1 데이터에 기초하여 계산한 데이터 및 제1 데이터를 처리하는 데에 사용된 에너지와 관련된 정보를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 처리 데이터는 제1 데이터에 기초하여 계산한 비트 수, 제1 데이터를 처리하는 데에 사용한 에너지량 등을 포함할 수 있다.Specifically, the device 200 may perform arithmetic processing on first data and generate first processed data. At this time, the first processed data may include data calculated based on the first data and information related to energy used to process the first data. For example, the first processed data may include the number of bits calculated based on the first data, the amount of energy used to process the first data, etc.
제2 데이터는 특정 어플리케이션을 실행하기 위해 처리해야 할 데이터 중 일부일 수 있다. 즉, 디바이스(200)는 특정 어플리케이션을 실행하기 위해 처리해야 할 데이터를 제1 데이터 및 제2 데이터로 분할하여, 그 중 일부인 제1 데이터는 디바이스(200)내에서 처리하고, 제2 데이터는 서버(100)가 처리하도록 서버(100)로 전송할 수 있다. 또한, 디바이스(200)는 특정 어플리케이션을 실행하기 위해 처리해야 할 데이터를 2개가 아닌 3개 이상의 데이터로 분할하여 서버(100) 또는 다른 디바이스와 함께 처리할 수도 있다.The second data may be some of the data that needs to be processed to execute a specific application. That is, the device 200 divides the data to be processed to run a specific application into first data and second data, and processes some of the first data within the device 200 and processes the second data into the server. It can be transmitted to the server 100 for processing. Additionally, the device 200 may divide data to be processed to execute a specific application into three or more pieces of data instead of two and process them together with the server 100 or another device.
제2 처리 데이터를 생성하는 단계(S120)는 서버(100)가 디바이스(200)로부터 수신한 제2 데이터에 대하여 데이터 처리를 수행하는 단계일 수 있다. 구체적으로, 단계 S120은 서버(100) 내의 로컬 CPU가 제2 데이터에 대하여 데이터 처리를 수행하는 단계일 수 있다.The step of generating second processed data (S120) may be a step in which the server 100 performs data processing on the second data received from the device 200. Specifically, step S120 may be a step in which the local CPU within the server 100 performs data processing on the second data.
서버(100) 또는 로컬 CPU는 제2 데이터에 대해 연산 처리를 수행하고, 제2 처리 데이터를 생성할 수 있다. 이때, 제2 처리 데이터에는 제2 데이터에 기초하여 계산한 데이터 및 제2 데이터를 처리하는 데에 사용된 에너지와 관련된 정보를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 처리 데이터는 제2 데이터에 기초하여 계산한 비트 수, 제2 데이터를 처리하는 데에 사용한 에너지량 등을 포함할 수 있다.The server 100 or the local CPU may perform computational processing on the second data and generate second processed data. At this time, the second processed data may include data calculated based on the second data and information related to energy used to process the second data. For example, the second processed data may include the number of bits calculated based on the second data, the amount of energy used to process the second data, etc.
에너지 효율성을 산출하는 단계(S130)는 서버(100)가 디바이스(200)로부터 수신한 제1 처리 데이터 및 서버(100)의 로컬 CPU가 데이터 처리한 결과인 제2 처리 데이터에 기초하여 데이터 처리에 대한 에너지 효율성을 산출하는 단계일 수 있다.In the step of calculating energy efficiency (S130), the server 100 processes data based on the first processed data received from the device 200 and the second processed data that is the result of data processing by the local CPU of the server 100. This may be a step in calculating energy efficiency.
에너지 효율성 를 산출하는 과정을 이하에서 점진적으로 설명한다. 여기서, 디바이스(200)의 계산 회로는 통신 회로와 분리된 것으로 가정한다. 즉, 디바이스(200)는 컴퓨팅과 오프로딩을 동시에 수행할 수 있는 것으로 가정한다. 또한, 는 는 도 1에 표시된 바와 같이, i번째 디바이스를 의미하는 것일 수 있다.energy efficiency The process of calculating is explained gradually below. Here, it is assumed that the calculation circuit of the device 200 is separated from the communication circuit. That is, it is assumed that the device 200 can perform computing and offloading simultaneously. also, may mean the i-th device, as shown in FIG. 1.
이 의 로컬 계산 시간일 때, 로컬 계산 시간은 를 만족할 수 있다. 가 의 계산 작업 1비트를 계산하는데 소모되는 CPU 사이클의 수이고, 가 의 로컬 CPU 주파수일 때, 가 로컬 컴퓨팅을 통해 계산하는 비트 수는 아래 [수학식 1]과 같이 정의되고, 소모 에너지는 아래 [수학식 2]와 같이 정의될 수 있다. this When the local computation time is, the local computation time is can be satisfied. go is the number of CPU cycles consumed to calculate 1 bit of computational work, go When the local CPU frequency of The number of bits calculated through local computing can be defined as [Equation 1] below, and the consumed energy can be defined as [Equation 2] below.
[수학식 1][Equation 1]
[수학식 2][Equation 2]
여기서, 는 에서 프로세서 칩의 유효 정전용량 계수이고, 는 누수 전류에 의해 소비되는 전력이다.here, Is is the effective capacitance coefficient of the processor chip, is the power consumed by leakage current.
디바이스 계산 작업의 오프로딩 및 다운로딩을 위해, 디바이스(200)는 공간분할 다중접속 방식(SDMA: Spatial Division Multiple Access)을 사용할 수 있다. 디바이스(200)는 공간분할 다중접속 방식을 기반으로 하여 도 2와 같이 동시 접속을 수행할 수 있다. 이때, 디바이스 데이터의 오프로드와 다운로드에 각각 와 의 시간이 할당될 수 있다.For offloading and downloading of device calculation tasks, the device 200 may use spatial division multiple access (SDMA). The device 200 can perform simultaneous access as shown in FIG. 2 based on the space division multiple access method. At this time, each offload and download of device data and of time can be allocated.
오프로딩을 위한 의 전송 전력을 (, 는의 최대 전송 전력)라 할 때, 오프로딩을 위해 에 의해 소비되는 에너지는 [수학식 3]과 같이 정의될 수 있다.for off-roading transmit power of ( , Is (maximum transmission power of), for offloading The energy consumed by can be defined as [Equation 3].
[수학식 3][Equation 3]
이때, 는 가 소비하는 회로 전력이다. 여기서, 기지국(110)은 제로 포싱(zero-forcing) 수신기 를 사용한다고 가정하며, 일 수 있다. 계산 오프로딩을 통해 가 전송할 수 있는 비트 수는 [수학식 4]와 같이 계산될 수 있다.At this time, Is is the circuit power consumed. Here, the base station 110 is a zero-forcing receiver. Assuming you use , It can be. Through computation offloading The number of bits that can be transmitted can be calculated as in [Equation 4].
[수학식 4][Equation 4]
이때, 는 시스템 대역폭이고, 는 유효 업링크 채널 이득이며, 과 는 각각 기지국 잡음 세기와 의 번째 행을 의미한다.At this time, is the system bandwidth, is the effective uplink channel gain, class are the base station noise intensity and of It means the second row.
오프로드 시간 동안, 기지국(110)은 오프로드된 비트를 수신하기 위해 의 에너지를 소비할 수 있다. 여기서, 는 기지국이 신호를 수신하기 위한 기지국 안테나당 회로 전력 소비량이다.During the offload time, the base station 110 is configured to receive offloaded bits. can consume energy. here, is the circuit power consumption per base station antenna for the base station to receive signals.
다음으로 서버(100)는 의 작업을 수행하고, 비트의 출력 결과를 생성할 수 있다. 가 의 계산 작업의 단위 입력 비트당 출력 비트 수라고 할 때, 의 계산 작업을 실행하기 위해 서버(100)가 소비하는 에너지는 아래 [수학식 5]로 정의되고, 소비하는 시간은 아래 [수학식 6]으로 정의될 수 있다.Next, the server 100 It can perform operations and produce output results in bits. go Given the number of output bits per unit input bit of the calculation operation, The energy consumed by the server 100 to execute the calculation task can be defined as [Equation 5] below, and the time consumed can be defined as [Equation 6] below.
[수학식 5][Equation 5]
[수학식 6][Equation 6]
계산 결과를 전송하기 위해, 기지국(110)에서 디바이스(200)로 보내는 다운링크 신호는 일 수 있다. 이때, 는 에게 전송하는 데이터 신호이고, 는 해당 데이터 신호의 빔포밍 벡터이다. 계산 결과를 전송하기 위해 기지국(110)이 소비하는 에너지는 아래 [수학식 7]과 같이 정의될 수 있다.In order to transmit the calculation result, the downlink signal sent from the base station 110 to the device 200 is It can be. At this time, Is It is a data signal transmitted to is the beamforming vector of the corresponding data signal. The energy consumed by the base station 110 to transmit the calculation result can be defined as [Equation 7] below.
[수학식 7][Equation 7]
여기서, 는 기지국 안테나당 회로 전력 소비량일 수 있다.here, may be the circuit power consumption per base station antenna.
또한, 다운로드 시간 동안 기지국(110)이 로 전송할 수 있는 비트의 수는 아래 [수학식 8]과 같이 정의될 수 있다.Also, the download time While the base station 110 The number of bits that can be transmitted can be defined as [Equation 8] below.
[수학식 8][Equation 8]
계산된 결과를 수신하기 위해 가 소비하는 에너지는 일 수 있고, 이때 는 가 수신 신호 처리를 위해 소모하는 전력이다.To receive calculated results The energy consumed is It may be, and at this time Is This is the power consumed for processing the received signal.
최종적으로, 오프로딩 무선 통신 시스템(1000)의 총 에너지 소비량에 대한 계산 비트의 비율로 정의되는 오프로딩 무선 통신 시스템(1000)의 에너지 효율성은 아래 [수학식 9]와 같이 정의될 수 있다.Finally, the energy efficiency of the offloading wireless communication system 1000, which is defined as the ratio of calculation bits to the total energy consumption of the offloading wireless communication system 1000, can be defined as [Equation 9] below.
[수학식 9][Equation 9]
여기서, 는 에너지 효율성에서 기지국 및 엣지 서버의 에너지 소비량이 전체 엣지 컴퓨팅 시스템의 에너지 소비량에서 차지하는 비율이다. 즉, 는 기지국 및 서버 에너지 기여 비율일 수 있고, 0 내지 1 사이의 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 가 0일 경우는 기지국(110) 및 서버(100)의 에너지 소비를 에너지 효율성에 고려하지 않는 경우를 의미하는 것일 수 있다.here, In energy efficiency, is the ratio of the energy consumption of the base station and edge server to the energy consumption of the entire edge computing system. in other words, may be the base station and server energy contribution ratio, and may have a value between 0 and 1. for example, If is 0, this may mean that the energy consumption of the base station 110 and the server 100 is not considered for energy efficiency.
[수학식 9]의 에너지 효율성 는 로도 쓰일 수 있다. [수학식 9]의 에너지 효율성은 의미를 고려하여, 아래 [수학식 10]으로 간단히 나타낼 수 있다.Energy efficiency of [Equation 9] Is It can also be used as . Considering the meaning, the energy efficiency of [Equation 9] can be simply expressed as [Equation 10] below.
[수학식 10][Equation 10]
(: 에너지 효율성, : 디바이스가 계산한 비트 수, : 서버가 계산한 비트 수, : 디바이스의 에너지 소모량, : 기지국 및 서버의 에너지 소모량, : 기지국 및 서버 에너지 기여 비율)( : Energy efficiency, : Number of bits calculated by the device, : Number of bits calculated by the server, : Energy consumption of the device, : Energy consumption of base stations and servers, : Base station and server energy contribution ratio)
복수의 파라미터를 산출하는 단계(S140)는 단계 S130에서 산출한 에너지 효율성에 기초하여, 제약 조건 하에서 서버(100)가 최적화된 복수의 파라미터를 산출하는 단계일 수 있다. 구체적으로, 서버(100)는 [수학식 9] 또는 [수학식 10]의 에너지 효율성과 아래 [제약 조건]에 기초하여, 복수의 파라미터를 최적화할 수 있다.The step of calculating a plurality of parameters (S140) may be a step in which the server 100 calculates a plurality of optimized parameters under constraint conditions based on the energy efficiency calculated in step S130. Specifically, the server 100 may optimize a plurality of parameters based on the energy efficiency of [Equation 9] or [Equation 10] and the [Constraints] below.
이때, 복수의 파라미터는 오프로딩 무선 통신 시스템(1000)의 에너지 효율성과 관련된 변수로서, 처리하는 데이터의 종류 및 내용과 무관하게 시스템(1000)의 처리 시간, 사용 전력, CPU 주파수, 빔포밍 벡터 등과 관련된 것일 수 있다.At this time, the plurality of parameters are variables related to the energy efficiency of the offloading wireless communication system 1000, such as processing time, power usage, CPU frequency, beamforming vector, etc. of the system 1000 regardless of the type and content of the data being processed. It may be related.
구체적으로, 복수의 파라미터는 다운로드 시간 , 오프로드 시간, 사용자의 전송 전력 , 로컬 CPU 주파수 , 로컬 컴퓨팅 시간 및 다운링크 빔포밍 벡터 를 포함할 수 있다. 즉, 서버(100)가 풀어야 할 최적화 변수의 집합은 로 정의될 수 있다.Specifically, the plurality of parameters is the download time , off-road time , the transmission power of the user , local CPU frequency , local computing time and downlink beamforming vectors. may include. In other words, the set of optimization variables that the server 100 must solve is It can be defined as:
[제약 조건][Constraints]
여기서, 는 의 최대 사용 가능한 에너지이고, 는 에 대한 최소 계산 비트 수이며, 는 기지국의 최대 전송 전력이다. 또한 C1, C2, C3, C4, C5, C6는 각 디바이스의 에너지 제약조건, 디바이스의 최소 계산 비트 수 제약조건, 다운로드 비트 수 제약조건, 기지국의 전송 전력 제약조건, 디바이스의 전송 전력 제약조건, 총 시간 제약조건이다.here, Is is the maximum available energy, Is is the minimum number of computational bits for , is the maximum transmission power of the base station. In addition, C1, C2, C3, C4, C5, and C6 are the energy constraints of each device, the device's minimum computational bit number constraint, the download bit number constraint, the base station's transmission power constraint, the device's transmission power constraint, and the total It is a time constraint.
서버(100)는 C1 내지 C7의 제약 조건 하에서 [수학식 9]의 에너지 효율성을 최적화하기 전, 비볼록 문제를 해결하기 위해 보조 변수를 도입할 수 있다. 구체적으로, 위의 에너지 효율성에 대해 변수들을 최적화하는 것은 분수 형태의 목적 함수와 제어 변수의 곱 항(product term)으로 인해 비볼록(non-convex)하는 문제가 존재한다. 따라서, 비볼록 문제를 해결하기 위해, 서버(100)는 아래 [보조 변수]를 도입할 수 있다.The server 100 may introduce auxiliary variables to solve the non-convex problem before optimizing the energy efficiency of [Equation 9] under the constraints of C1 to C7. Specifically, optimizing the variables for the above energy efficiency is a non-convex problem due to the product term of the fractional objective function and the control variable. Therefore, to solve the non-convex problem, the server 100 may introduce the following [auxiliary variable].
[보조 변수][auxiliary variable]
여기서, 이다. 위의 보조 변수들을 활용하여 [수학식 9] 및 [제약 조건]의 문제는 아래와 같이 [수학식 11]로 다시 쓸 수 있다. here, am. Using the above auxiliary variables, the problems of [Equation 9] and [Constraints] can be rewritten as [Equation 11] as follows.
[수학식 11][Equation 11]
여기서, 이다. 로컬 컴퓨팅 에너지 을 도입하여 [수학식 11]의 문제를 아래 [수학식 12]의 내층 문제와 아래 [수학식 13]의 외층 문제로 나누어 변환할 수 있다.here, am. local computing energy By introducing , the problem of [Equation 11] can be converted into the inner layer problem of [Equation 12] below and the outer layer problem of [Equation 13] below.
내층 문제는 주어진 로컬 컴퓨팅 에너지 에 대한 로컬 컴퓨팅 주파수 와 로컬 컴퓨팅 시간 을 최적화하여 로컬 컴퓨팅 비트 을 최대화하기 위한 것이다. 외층 문제는 을 최적화하여 에너지 효율성을 최대화하기 위한 것이다. 구체적으로 내층 문제와 외층 문제는 다음과 같이 쓸 수 있다.The inner layer problem is given local computing energy local computing frequency for and local compute time Optimize your local compute bits This is to maximize. The outer layer problem is This is to maximize energy efficiency by optimizing. Specifically, the inner layer problem and the outer layer problem can be written as follows.
[수학식 12][Equation 12]
[수학식 13][Equation 13]
여기서, 최적화 변수는 이고, 목표함수의 분자와 분모는 각각 다음과 같다.Here, the optimization variable is , and the numerator and denominator of the objective function are respectively as follows.
내층 문제의 솔루션 와 , 그리고 최적의 목표함수 값 은 아래의 [수학식 14] 내지 [수학식 16]과 같이 얻을 수 있다.Solution to inner layer problem and , and the optimal objective function value can be obtained as in [Equation 14] to [Equation 16] below.
[수학식 14][Equation 14]
[수학식 15][Equation 15]
[수학식 16][Equation 16]
외층 문제는 분수 프로그래밍으로서 은 오목(concave) 함수이고 목적함수의 분모는 아핀 함수이기 때문에, 목적함수는 준오목(quasi-concave) 함수가 된다. 따라서, 딘켈바흐(Dinkelbach) 알고리즘을 사용하여 외층 문제를 해결할 수 있으며, 그 과정은 아래와 같다. 외층 문제는 에 대해 아래 [수학식 17]의 문제와 등가일 수 있다.The outer layer problem is expressed as fractional programming. Since is a concave function and the denominator of the objective function is an affine function, the objective function is a quasi-concave function. Therefore, the outer layer problem can be solved using the Dinkelbach algorithm, and the process is as follows. The outer layer problem is It may be equivalent to the problem in [Equation 17] below.
[수학식 17][Equation 17]
여기서, 이고, 이다.here, ego, am.
또한, 는 [수학식 13]의 문제의 최적 목표함수 값이며, [수학식 17]의 문제의 최적의 목표함수 값을 0으로 만들 수 있다. 와 이에 해당하는 최적의 솔루션 를 얻기 위해서는, [수학식 17]의 문제의 최적의 목표함수 값이 0가 될 때까지 다음의 과정을 반복할 수 있다.also, is the optimal objective function value of the problem in [Equation 13], and the optimal objective function value of the problem in [Equation 17] can be set to 0. and the corresponding optimal solution To obtain, the following process can be repeated until the optimal objective function value of the problem in [Equation 17] becomes 0.
Step 1. 주어진 에 대해, [수학식 17]의 문제의 솔루션 를 얻는다.Step 1. Given For the solution of the problem of [Equation 17] get
Step 2. Step 1에서 얻은 를 이용하여, 를 아래 [수학식 18]로 업데이트한다.Step 2. Obtained in Step 1 Using, Update to [Equation 18] below.
[수학식 18][Equation 18]
Step 1, 즉 주어진 에 대한 [수학식 17]의 문제를 해결하기 위한 방법은 다음과 같다.Step 1, i.e. given The method to solve the problem of [Equation 17] is as follows.
[수학식 17]의 문제의 목표함수는 오목(concave) 함수이나, [수학식 17]의 문제는 제약 조건 C3의 식으로 인해 비볼록하다. 그러나 해당 비볼록 함수는 오목차 (difference-of-concave) 구조를 가지고 있기 때문에, [수학식 17]의 문제는 오목차 문제이다. 따라서 [수학식 17]의 문제를 해결하기 위해 오목차 알고리즘을 사용한다.The objective function of the problem in [Equation 17] is a concave function, but the problem in [Equation 17] is non-convex due to the expression of constraint C3. However, because the non-convex function has a difference-of-concave structure, the problem of [Equation 17] is a difference-of-concave problem. Therefore, the concave difference algorithm is used to solve the problem of [Equation 17].
오목차 알고리즘은 원래 문제의 Karush-Kuhn-Tucker(KKT) 조건을 만족하는 정지점으로 수렴할 것을 보장할 수 있다. 오목차 알고리즘의 기본 아이디어는 근사 볼록 문제를 반복적으로 푸는 것이며, 해당 문제는 오목차 구조 함수의 두 번째 오목 함수를 아핀(affine) 함수로 근사하여 얻을 수 있다. The concave difference algorithm can be guaranteed to converge to a stopping point that satisfies the Karush-Kuhn-Tucker (KKT) condition of the original problem. The basic idea of the concave difference algorithm is to repeatedly solve the approximate convex problem, which can be obtained by approximating the second concave function of the concave difference structural function with an affine function.
구체적으로, [수학식 17]의 문제를 해결하기 위해 아래 [수학식 19] 및 [수학식 20]의 문제를 반복적으로 해결한다. 반복적으로 해결하는 과정은 도 4의 순서도에서 확인할 수 있다.Specifically, to solve the problem of [Equation 17], the problems of [Equation 19] and [Equation 20] below are repeatedly solved. The iterative solving process can be seen in the flowchart of FIG. 4.
도 4는 일 실시예에 따른 최적화 파라미터를 산출하기 위한 과정 중 일부에 대한 순서도이다. 도 4를 참조하면, 주어진 에 대하여 반복수 l을 계속적으로 업데이트함으로써 [수학식 17]의 문제를 해결하는 방법을 확인할 수 있다.Figure 4 is a flowchart of a portion of the process for calculating optimization parameters according to an embodiment. Referring to Figure 4, given It is possible to check how to solve the problem of [Equation 17] by continuously updating the repetition number l.
[수학식 19][Equation 19]
여기서, 은 반복수를 의미한다.here, means the number of repetitions.
는 근사 아핀 함수로서, 아래 [수학식 20]과 같이 쓸 수 있다. is an approximate affine function and can be written as [Equation 20] below.
[수학식 20][Equation 20]
이때, 이고, 는 의 에 대한 포인트에서의 기울기(gradient)이다.At this time, ego, Is of for It is the gradient at the point.
서버(100)가 [수학식 19]의 문제를 솔루션이 수렴할 때까지 반복하여 풀면, 결국 서버(100)는 [수학식 17]의 문제의 최적의 솔루션을 얻을 수 있다. 이때, [수학식 19]의 문제는 볼록 문제이기 때문에, 내부점법(interior point method)과 같은 표준 볼록 최적화 기법을 활용하여 해결할 수도 있다.If the server 100 repeatedly solves the problem of [Equation 19] until the solution converges, the server 100 can eventually obtain the optimal solution to the problem of [Equation 17]. At this time, since the problem of [Equation 19] is a convex problem, it can be solved using standard convex optimization techniques such as the interior point method.
서버(100)는 결국 에너지 효율성과 관련된 [수학식 9]에 대해, 제약 조건 하에서 [수학식 11] 내지 [수학식 20]을 이용하여 복수의 파라미터를 최적화시킬 수 있다. 즉, 서버(100)는 최적화된 복수의 파라미터를 산출할 수 있다.The server 100 can ultimately optimize a plurality of parameters using [Equation 11] to [Equation 20] under constraint conditions for [Equation 9] related to energy efficiency. That is, the server 100 can calculate a plurality of optimized parameters.
파라미터를 설정하는 단계(S150)는 단계 S140에서 산출한 복수의 파라미터를 오프로딩 무선 통신 시스템(1000)에 적용시키는 단계일 수 있다.The parameter setting step (S150) may be a step of applying a plurality of parameters calculated in step S140 to the offloading wireless communication system 1000.
서버(100)는 산출한 복수의 파라미터를 디바이스(200)로 전송할 수 있다. 디바이스(200)는 수신한 복수의 파라미터 정보에 기초하여, 파라미터를 업데이트 시킬 수 있다. 구체적으로, 디바이스(200)는 수신한 복수의 파라미터 정보에 기초하여, 서버(100)로 데이터를 전송하는 데이터 전송과 관련된 파라미터를 설정할 수 있다.The server 100 may transmit a plurality of calculated parameters to the device 200. The device 200 may update parameters based on a plurality of received parameter information. Specifically, the device 200 may set parameters related to data transmission for transmitting data to the server 100 based on a plurality of received parameter information.
또한, 서버(100)는 산출한 복수의 파라미터에 기초하여 기지국(110) 및 로컬 CPU와 관련된 파라미터를 업데이트 시킬 수 있다. 구체적으로, 서버(100)는 복수의 파라미터에 기초하여, 디바이스(200)로부터 데이터를 수신하는 데이터 수신과 관련된 파라미터 및 로컬 CPU를 이용하여 데이터를 처리하는 데이터 처리와 관련된 파라미터를 설정할 수 있다.Additionally, the server 100 may update parameters related to the base station 110 and the local CPU based on the calculated plurality of parameters. Specifically, the server 100 may set parameters related to data reception for receiving data from the device 200 and parameters related to data processing for processing data using a local CPU, based on a plurality of parameters.
서버(100) 및 디바이스(200)는 단계 S150 이후, 설정한 파라미터에 기초하여, 다음 오프로딩 과정을 수행할 수 있다. 즉, 서버(100)는 이전 오프로딩 과정에서 수행한 결과에 기초하여, 에너지 효율성을 산출하고, 에너지 효율성을 통해 복수의 파라미터를 최적화시킬 수 있다. 서버(100) 및 디바이스(200)는 최적화된 복수의 파라미터를 반영하여, 다음 오프로딩을 수행함으로써, 오프로딩 무선 통신 시스템(1000)의 에너지 효율성이 이전보다 향상될 수 있다.After step S150, the server 100 and the device 200 may perform the next offloading process based on the set parameters. That is, the server 100 can calculate energy efficiency based on the results of the previous offloading process and optimize a plurality of parameters through energy efficiency. The server 100 and the device 200 reflect the plurality of optimized parameters and perform the next offloading, so that the energy efficiency of the offloading wireless communication system 1000 can be improved compared to before.
복수의 파라미터는 오프로딩이 수행될 때마다 서버(100)의 분석 및 연산에 의해 계속적으로 업데이트될 수 있다. 즉, 오프로딩 무선 통신 시스템(1000)은 에너지 효율성 계산 및 복수의 파라미터 최적화 과정을 매번 수행하여, 최적의 파라미터들을 통해 에너지 효율성을 최대화시킬 수 있다.A plurality of parameters may be continuously updated by analysis and calculation of the server 100 each time offloading is performed. That is, the offloading wireless communication system 1000 can maximize energy efficiency through optimal parameters by performing energy efficiency calculation and multiple parameter optimization processes each time.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다The method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded on a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc., singly or in combination. Program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiment or may be known and available to those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic media such as floptical disks. -Includes optical media (magneto-optical media) and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, etc. Examples of program instructions include machine language code, such as that produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter, etc. The hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with limited examples and drawings, various modifications and variations can be made by those skilled in the art from the above description. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or components of the described system, structure, device, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components are used. Alternatively, appropriate results may be achieved even if substituted or substituted by an equivalent.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents of the claims also fall within the scope of the claims described below.
Claims (13)
상기 서버는 상기 제1 처리 데이터 및 상기 제2 처리 데이터에 기초하여 오프로딩과 관련된 복수의 파라미터를 산출하고,
상기 서버는 아래 수학식을 이용하여 오프로딩 에너지 효율성을 산출하고,
(: 에너지 효율성, :디바이스가 계산한 비트 수, :서버가 계산한 비트 수, :디바이스의 에너지 소모량, :기지국 및 서버의 에너지 소모량, : 기지국 및 서버 에너지 기여 비율)
상기 는 0 내지 1 범위에서 변동 가능한
오프로딩 무선 통신 시스템.
Receive first processed data and second data, which are results of computational processing for the first data, from a device that performs computational processing on the first data, and perform computational processing on the second data to produce second processed data. Contains a server to create,
The server calculates a plurality of parameters related to offloading based on the first processed data and the second processed data,
The server calculates offloading energy efficiency using the equation below,
( : Energy efficiency, :Number of bits calculated by the device, :Number of bits calculated by the server, :Energy consumption of the device, :Energy consumption of base stations and servers, : Base station and server energy contribution ratio)
remind is variable in the range of 0 to 1
Off-roading wireless communication system.
상기 서버는 상기 복수의 파라미터에 대한 정보를 상기 디바이스로 전송하고,
상기 디바이스는 수신한 상기 복수의 파라미터에 대한 정보에 기초하여 데이터 전송과 관련된 파라미터를 설정하는
오프로딩 무선 통신 시스템.
According to paragraph 1,
The server transmits information about the plurality of parameters to the device,
The device sets parameters related to data transmission based on the information about the plurality of parameters received.
Off-roading wireless communication system.
상기 서버는 상기 복수의 파라미터에 기초하여 데이터 수신과 관련된 파라미터 및 데이터 처리와 관련된 파라미터를 설정하는
오프로딩 무선 통신 시스템.
According to paragraph 1,
The server sets parameters related to data reception and parameters related to data processing based on the plurality of parameters.
Off-roading wireless communication system.
상기 복수의 파라미터는 상기 제2 데이터의 다운로드 시간, 상기 제2 데이터의 오프로드 시간, 상기 디바이스의 전송 전력, 로컬 CPU의 주파수, 상기 로컬 CPU의 컴퓨팅 시간 및 다운링크 빔포밍 벡터 중 적어도 하나를 포함하는
오프로딩 무선 통신 시스템.
According to paragraph 1,
The plurality of parameters include at least one of a download time of the second data, an offload time of the second data, a transmission power of the device, a frequency of the local CPU, a computing time of the local CPU, and a downlink beamforming vector. doing
Off-roading wireless communication system.
상기 서버는 상기 제1 처리 데이터에 포함된 상기 디바이스가 계산한 비트 수 및 상기 디바이스의 에너지 소비량과, 상기 제2 처리 데이터에 포함된 상기 서버가 계산한 비트 수 및 상기 서버의 에너지 소비량에 기초하여, 오프로딩의 에너지 효율성을 산출하는
오프로딩 무선 통신 시스템.
According to paragraph 1,
The server is based on the number of bits calculated by the device and the energy consumption of the device included in the first processed data, and the number of bits calculated by the server and the energy consumption of the server included in the second processed data. , which calculates the energy efficiency of offloading.
Off-roading wireless communication system.
디바이스로부터 제1 데이터에 대한 연산 처리 결과인 제1 처리 데이터와 제2 데이터를 수신하는 단계;
상기 제2 데이터에 대해 연산 처리를 수행하여 제2 처리 데이터를 생성하는 단계;
상기 제1 처리 데이터 및 상기 제2 처리 데이터에 기초하여 오프로딩과 관련된 복수의 파라미터를 산출하는 단계; 및
상기 오프로딩의 에너지 효율성을 산출하는 단계를 포함하고,
상기 에너지 효율성은 아래 수학식에 의해 산출되고,
(: 에너지 효율성, :디바이스가 계산한 비트 수, :서버가 계산한 비트 수, :디바이스의 에너지 소모량, :기지국 및 서버의 에너지 소모량, : 기지국 및 서버 에너지 기여 비율)
상기 는 0 내지 1 범위에서 변동 가능한
오프로딩 무선 통신 방법.
In the server offloading wireless communication method,
Receiving first processed data and second data, which are results of operation processing on the first data, from a device;
generating second processed data by performing computational processing on the second data;
calculating a plurality of parameters related to offloading based on the first processed data and the second processed data; and
Comprising the step of calculating the energy efficiency of the offloading,
The energy efficiency is calculated by the equation below,
( : Energy efficiency, :Number of bits calculated by the device, :Number of bits calculated by the server, :Energy consumption of the device, :Energy consumption of base stations and servers, : Base station and server energy contribution ratio)
remind is variable in the range of 0 to 1
Offloading wireless communication method.
상기 디바이스가 상기 복수의 파라미터에 기초하여 데이터 전송과 관련된 파라미터를 설정하도록, 상기 복수의 파라미터에 대한 정보를 상기 디바이스로 전송하는 단계를 더 포함하는
오프로딩 무선 통신 방법.
In clause 7,
Further comprising transmitting information about the plurality of parameters to the device so that the device sets parameters related to data transmission based on the plurality of parameters.
Offloading wireless communication method.
상기 복수의 파라미터에 기초하여 데이터 수신과 관련된 파라미터 및 데이터 처리와 관련된 파라미터를 설정하는 단계를 더 포함하는
오프로딩 무선 통신 방법.
In clause 7,
Further comprising setting parameters related to data reception and parameters related to data processing based on the plurality of parameters.
Offloading wireless communication method.
상기 복수의 파라미터는 상기 제2 데이터의 다운로드 시간, 상기 제2 데이터의 오프로드 시간, 상기 디바이스의 전송 전력, 로컬 CPU의 주파수, 상기 로컬 CPU의 컴퓨팅 시간 및 다운링크 빔포밍 벡터 중 적어도 하나를 포함하는
오프로딩 무선 통신 방법.
In clause 7,
The plurality of parameters include at least one of a download time of the second data, an offload time of the second data, a transmission power of the device, a frequency of the local CPU, a computing time of the local CPU, and a downlink beamforming vector. doing
Offloading wireless communication method.
상기 제1 처리 데이터에 포함된 상기 디바이스가 계산한 비트 수 및 상기 디바이스의 에너지 소비량과, 상기 제2 처리 데이터에 포함된 상기 서버가 계산한 비트 수 및 상기 서버의 에너지 소비량에 기초하여, 오프로딩의 에너지 효율성을 산출하는 단계를 더 포함하는
오프로딩 무선 통신 방법.
In clause 7,
Based on the number of bits calculated by the device and the energy consumption of the device included in the first processed data, and the number of bits calculated by the server and the energy consumption of the server included in the second processed data, offloading Further comprising the step of calculating the energy efficiency of
Offloading wireless communication method.
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