KR20210026171A - Multi-access edge computing based Heterogeneous Networks System - Google Patents

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Abstract

The present invention provides a heterogeneous network system based on multi-access edge computing, wherein according to the integration of MEC and HetNets, the present invention discloses an architecture of MEC-enhanced HetNets which can mount an MEC server in a flight base station (BS) which supports both wireless and wired backhaul solutions.

Description

멀티 액세스 엣지 컴퓨팅 기반의 이기종 네트워크 시스템{Multi-access edge computing based Heterogeneous Networks System}Multi-access edge computing based Heterogeneous Networks System

본 발명은 이기종 네트워크 시스템에 관한 것으로, 특히 MEC(multi-access edge computing)와 HetNets(Heterogeneous Networks)의 통합에 필요한 무선 및 유선 백홀 솔루션을 지원하고, MEC 서버를 장착할 수 있는 비행 기지국(BS)을 구비한 MEC 기반의 이기종 네트워크 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a heterogeneous network system, and in particular, a flight base station (BS) capable of supporting a wireless and wired backhaul solution required for the integration of multi-access edge computing (MEC) and HetNets (Heterogeneous Networks), and mounting a MEC server. It relates to a MEC-based heterogeneous network system having a.

스마트 장치의 인기가 높아짐에 따라 온라인 게임, 증강현실 및 지능형 비디오 가속과 같은 5G 시스템 환경에서 서비스되는 응용 프로그램이 개발되고 있다. 이러한 새로운 응용 프로그램들은 집중적인 계산 및 높은 에너지 소비, 많은 대기시간 등을 필요로 한다. 그러나, 대부분의 휴대 디바이스들은 배터리 용량 및 낮은 계산 능력 등으로 인하여 이러한 응용 프로그램들을 적절하게 처리하지 못한다. With the increasing popularity of smart devices, applications serviced in 5G system environments such as online games, augmented reality and intelligent video acceleration are being developed. These new applications require intensive calculations, high energy consumption, and high latency. However, most portable devices cannot adequately process these applications due to battery capacity and low computing power.

최근 통신사들은 5G 서비스 지원을 위해 클라우드의 다양한 기능을 직접 모바일 액세스 네트워크에서 사용할 수 있게 하는 멀티 액세스 엣지 컴퓨팅(MEC) 사이트의 구축을 가속화하고 있다. 즉 MEC는 노드를 최대한 사용자 측과 가까이 위치시켜 초 저지연 서비스를 구현해주는 에지 컴퓨팅 기반 기술로서, 5G를 지원하는 이러한 새로운 컴퓨팅 위치가 온라인 상태가 됨에 따라 고밀도 네트워크를 원격으로 모니터링하고 제어하는 관리 기능은 수익성 유지에 중요한 역할을 수행할 것으로 예측된다. Recently, carriers are accelerating the construction of multi-access edge computing (MEC) sites that enable various functions of the cloud to be used directly on mobile access networks to support 5G services. In other words, MEC is an edge computing-based technology that implements ultra-low-latency services by placing nodes as close to the user as possible, and a management function that remotely monitors and controls high-density networks as these new computing locations supporting 5G become online. Is expected to play an important role in maintaining profitability.

한편 데이터 트래픽 및 속도 요구 사항의 급격한 증가를 극복하기 위한 방안으로 Pico 셀, femto 셀, 마이크로 기지국과 같은 매크로 기지국(MBSs) 및 소형 기지국(SBSs)으로 구성된 이기종 네트워크(HetNets)가 사용된다. 상기 이기종 네트워크에는 유선 및 무선 백홀 솔루션을 포함하여 2가지 주요 유형의 백홀이 있으며, 백홀 유형의 선택에는 구현 비용이나 트래픽 로드, QoS(Quality of Service)와 같은 많은 요소가 고려되어야 한다. Meanwhile, heterogeneous networks (HetNets) composed of macro base stations (MBSs) and small base stations (SBSs) such as pico cells, femto cells, and micro base stations are used as a way to overcome the rapid increase in data traffic and speed requirements. In the heterogeneous network, there are two main types of backhaul including wired and wireless backhaul solutions, and many factors such as implementation cost, traffic load, and quality of service (QoS) must be considered in the selection of the backhaul type.

그리고 이러한 이기종 네트워크는, 네트워크 용량과 서비스 범위를 개선하지만, 고밀도 셀들로 인하여 심각한 간섭으로 인한 네트워트 성능이 저하되는 문제가 있다. In addition, although such heterogeneous networks improve network capacity and service range, there is a problem in that network performance is degraded due to severe interference due to high-density cells.

그럼에도 상기한 MEC와 HetNets는 5G 네트워크에서 요구되는 낮은 대기시간, 실시간 이동성 및 고 계산기능(MEC), 고 스펙트럼 에너지 효율 및 커버리지 확장(HetNets)과 같은 기능을 제공할 수 있어, 5G 서비스 기술에서 핵심 기술로 인정받고 있다. Nevertheless, the above-described MEC and HetNets can provide functions such as low latency, real-time mobility and high computational function (MEC), high spectrum energy efficiency and coverage extension (HetNets) required in 5G networks, which are key in 5G service technology. It is recognized as a technology.

그러나, 아직까지 HetNets와 MEC가 통합된 전체적인 네트워크 구성은 소개된 적이 없다. 즉 상기 MEC에 대한 관심이 높아지고 있지만, 아직까지 대부분의 연구는 단일 서버 MEC 네트워크에 맞춰 설계되고 운영되고 있는 것이 현실이라 할 것이다.However, the overall network configuration in which HetNets and MEC are integrated has not yet been introduced. That is, although interest in the MEC is increasing, it will be said that most of the studies are still designed and operated for a single server MEC network.

도 1은 이러한 단일 서버 MEC 네트워크 구성도를 나타내고 있는 것으로, (a)는 단일 셀과 단일 서버 MEC 시스템 구성, (b)는 멀티 셀과 단일 서버 MEC 시스템 구성이라 할 수 있다. 이를 보면, 컴퓨팅 오프로딩과 자원할당의 관점에서 MEC는 소규모 셀에서 하나의 모바일 사용자(MU: Mobile User), 하나의 MEC 서버, 무한 용량의 전용 백홀 링크와 같은 네트워크 모델을 단순화한 구성일 수 있다. 1 shows a configuration diagram of such a single server MEC network, where (a) is a single cell and single server MEC system configuration, and (b) is a multi-cell and single server MEC system configuration. From this point of view, from the perspective of computing offloading and resource allocation, MEC may be a simplified configuration of a network model such as one mobile user (MU), one MEC server, and a dedicated backhaul link with infinite capacity in a small cell. .

그러나 이와 같은 시스템 구성에서 MEC 서버는 심각한 과부하에 걸릴 문제가 있다. 예를 들어 모바일 트래픽은 향후 10년 동안 약 1000배 증가할 것으로 예상되며 2020년에는 연결된 사용자 수가 500억에 도달할 것으로 예상되기 때문이다. However, in such a system configuration, the MEC server is subject to serious overload. Mobile traffic, for example, is expected to increase by about 1000 times over the next 10 years, and by 2020, the number of connected users is expected to reach 50 billion.

또 HetNets의 구현은 5G 네트워크의 초고밀도 HetNet을 고려할 때 제한된 용량의 백홀 링크를 통한 데이터 전송에 문제가 있었다.In addition, the implementation of HetNets has a problem in data transmission through a backhaul link with limited capacity when considering the ultra-high density HetNet of 5G networks.

이와 같은 이유로 MEC와 HetNets의 두가지 핵심 개념을 통합하는 것이 요구되었다. 이러한 요구는, 5G 네트워크에서 애플리케이션과 서비스의 중요한 요구사항을 충족시키기 위해 5G 네트워크가 MEC와 HetNet의 개별적인 이익을 취하도록 실현 가능하고 현실적인 솔루션을 제공하는 것이다. 예를 들어, 대기 시간에 민감한 사물 인터넷(IoT)는 매우 낮은 대기 시간의 요구사항 및 대규모 연결을 위해 MEC와 HetNets에 의존할 수밖에 없기 때문이다. For this reason, it was required to integrate the two core concepts of MEC and HetNets. This need is to provide a feasible and realistic solution for 5G networks to take advantage of the individual benefits of MEC and HetNet to meet the critical requirements of applications and services in 5G networks. For example, the latency-sensitive Internet of Things (IoT) is bound to rely on MECs and HetNets for very low latency requirements and large connectivity.

따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, MEC와 HetNets의 통합에 필요한 무선 및 유선 백홀 솔루션을 지원하는 MEC 기반의 이기종 네트워크 시스템을 제공하는 것이다. Accordingly, an object of the present invention is to solve the above problems, and to provide a MEC-based heterogeneous network system that supports wireless and wired backhaul solutions required for the integration of MEC and HetNets.

본 발명의 다른 목적은 MEC 서버를 장착할 수 있는 비행 기지국(BS)을 구비한 MEC 기반의 이기종 네트워크 시스템을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a MEC-based heterogeneous network system with a flying base station (BS) capable of mounting a MEC server.

본 발명의 또 다른 목적은 단일 서버 MEC 네트워크에서 컴퓨테이션 오프로딩(compatation offloading) 및 리소스 할당을 위한 MEC 기반의 이기종 네트워크 시스템을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a MEC-based heterogeneous network system for computation offloading and resource allocation in a single server MEC network.

본 발명의 또 다른 목적은 MEC 서버를 다중으로 설계하여 모바일 사용자(MU)가 사용 가능한 MEC 서버를 선택할 수 있게 함으로써, 단일 MEC 서버의 부하부담을 줄이고, 전송 에너지의 소비를 줄이며, 실행 대기시간을 단축할 수 있게 하는 MEC 기반의 이기종 네트워크 시스템을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to design multiple MEC servers so that a mobile user (MU) can select an available MEC server, thereby reducing the load burden of a single MEC server, reducing the consumption of transmission energy, and reducing the execution waiting time. It is to provide a MEC-based heterogeneous network system that can be shortened.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, MEC(multi-access edge computing)와 HetNets의 통합에 필요한 무선 및 유선 백홀 솔루션을 지원하고, MEC 서버를 장착할 수 있는 비행 기지국(BS)을 구비한 MEC 기반의 이기종 네트워크 시스템을 제공한다. The present invention for achieving the above object supports a wireless and wired backhaul solution required for the integration of multi-access edge computing (MEC) and HetNets, and a MEC equipped with a flying base station (BS) capable of mounting a MEC server. It provides a heterogeneous network system based on.

이상과 같은 본 발명의 MEC 기반의 이기종 네트워크 시스템에 따르면, 유무선 백홀 링크의 공존을 지원하고 무인 항공기(UAV)를 배치하여 비행 MEC 서버로 사용할 수 있는 MEC 기반 Hetnet 네트워크를 제공하기 때문에, 자연재해 및 비상상황에 대한 적극적인 대처가 가능하다.According to the MEC-based heterogeneous network system of the present invention as described above, since it supports the coexistence of wired and wireless backhaul links and provides a MEC-based Hetnet network that can be used as a flying MEC server by deploying an unmanned aerial vehicle (UAV), natural disasters and Active response to emergency situations is possible.

그리고 UAV와 소형 셀 사이는 FSO 링크(free space optical link)를 사용하고 있어, FSO 통신의 장점을 그대로 적용할 수 있다. In addition, since a free space optical link (FSO) is used between the UAV and the small cell, the advantages of FSO communication can be applied as it is.

또 기존 중앙 클라우드와 분산 MEC의 공존을 지원함으로써, 클라우드 서비스의 가용성을 보장할 수 있다.In addition, by supporting the coexistence of the existing central cloud and distributed MEC, the availability of cloud services can be guaranteed.

도 1은 일반적인 단일 서버 MEC 네트워크 구성도로,
(a)는 단일 셀과 단일 서버 MEC 시스템 구성도
(b)는 멀티 셀과 단일 서버 MEC 시스템 구성도
도 2는 오프로드 결정 및 리소스 할당 측면에서 MEC에 대한 기존 연구를 정리한 그림
도 3은 기존 방식과 본 발명의 방식에 따른 오프로딩 확률 및 오버헤드의 결과를 비교한 그래프
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 멀티 액세스 엣지 컴퓨팅이 가능한 이기종 네트워크 시스템 구성도
1 is a typical single server MEC network configuration diagram,
(a) is a single cell and single server MEC system configuration diagram
(b) is a multi-cell and single server MEC system configuration diagram
Figure 2 is a diagram summarizing the existing research on MEC in terms of offload determination and resource allocation
3 is a graph comparing the result of offloading probability and overhead according to the conventional method and the method of the present invention
4 is a block diagram of a heterogeneous network system capable of multi-access edge computing according to a preferred embodiment of the present invention.

본 발명은 유선 및 무선 백홀 링크의 공존을 지원하고 무인 항공기(UAV)를 배치하여 비행중인 MEC 서버로 사용할 수 있게 하는 MEC 기반 HetNet 아키텍처를 제안하는 것이고, 이하에서는 도면에 도시한 실시 예에 기초하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다. The present invention is to propose a MEC-based HetNet architecture that supports the coexistence of wired and wireless backhaul links and enables use as a MEC server in flight by arranging an unmanned aerial vehicle (UAV). It will be described in more detail with respect to the present invention.

우선 단일 MEC 네트워크와 다중 서버 동종 네트워크에서의 컴퓨팅 오프로딩과 리소스 할당에 대하여 살펴본다. First, computing offloading and resource allocation in a single MEC network and a multi-server homogeneous network will be examined.

컴퓨팅 오프로딩은 xluster, grid, cloud와 같이 외부 플랫폼으로 특정 계산 업무를 전송하는 것을 말한다. 이러한 컴퓨팅 오프로딩은 자체적으로 특정 업무를 처리함에 있어서 컴퓨터 시스템의 하드웨어적인 제한으로 인하여 필요할 수 있고, 집중적인 계산업무들은 인공 지능, 인공 시각, 물체 추적(object tracking)이나 컴퓨터로 하는 의사 결정(computational decision making)에서 사용된다.Computing offloading refers to the transfer of specific computing tasks to external platforms such as xluster, grid, and cloud. Such computing offloading may be necessary due to the hardware limitations of the computer system in processing specific tasks by itself, and intensive computation tasks include artificial intelligence, artificial vision, object tracking, or computational decision-making with computers. It is used in decision making).

물론 이러한 컴퓨팅 오프로딩은 효율적인 통신 및 컴퓨팅 리소스 할당, 가용한 서버 중 적절한 MEC 서버의 선택 및 여러 MU에 의한 동시 오프로드의 효율적인 관리와 같은 몇 가지 과제가 있다.Of course, such computing offloading has several challenges such as efficient communication and computing resource allocation, selection of an appropriate MEC server among available servers, and efficient management of simultaneous offloading by multiple MUs.

컴퓨팅 오프로딩의 두 가지 중요한 측면은 실제로 응용 프로그램 모델을 결정하고 오프로딩 프로세스를 관리하는 것이다. 상기 응용 프로그램 모델의 결정은 응용 프로그램의 오프로드 가능성을 말하고, 처리된 데이터의 양을 결정하며, 오프로드 가능한 부분 간의 종속성을 지정하는 반면, 상기 오프로딩 프로세스의 관리는 MU가 오프로드 할 대상을 결정하고 채널 연결, 시스템 대역폭, MEC 서버에서 사용 가능한 계산 리소스를 사용하는 것을 말한다.Two important aspects of computing offloading are actually determining the application model and managing the offloading process. The determination of the application program model refers to the possibility of offloading the application program, determines the amount of processed data, and specifies the dependencies between the offloadable parts, while the management of the offloading process determines the target to be offloaded by the MU. Determining and using channel connections, system bandwidth, and computational resources available on the MEC server.

따라서 컴퓨팅 오프로딩의 일반적인 목표는 실행 대기 시간을 단축하고 컴퓨팅 작업을 서버로 마이그레이션(migration)하여 에너지 소비를 줄이며, 에너지 소비와 실행 대기시간 간의 균형을 최적화하는 것이다. 예를 들어 전체 실행에 필요한 대기시간의 최소화와 같은 시스템 수준에서 사용자가 인식한 성능까지 설계하고, IoT 애플리케이션을 처리할 때 MEC를 활용하기 위해 대상 애플리케이션의 고유한 요구 사항이 고려된다. 즉 배터리는 IoT 디바이스에 제한되어 있기 때문에 계산과 전송 에너지 소비 간의 균형이 이루어어져야 한다. Therefore, the general goal of computing offloading is to reduce execution latency, reduce energy consumption by migrating computing tasks to the server, and optimize the balance between energy consumption and execution latency. The unique requirements of the target application are taken into account in order to utilize the MEC when designing up to the user-perceived performance at the system level, for example minimizing the latency required for the overall execution, and processing IoT applications. In other words, since batteries are limited to IoT devices, a balance between computation and transmission energy consumption must be achieved.

상기 MEC 네트워크는 이와 같은 컴퓨팅 오프로딩이 추구하는 목표를 달성하기 위해 중요한 자원을 할당하는 역할을 한다. 여기서 상기 자원은 MU의 계산 속도, MEC 서버에서의 계산 자원, MU의 송신전력, 및 오프로딩 사용자에게 할당된 대역폭 및 시간을 포함한다.The MEC network allocates important resources to achieve the goal pursued by computing offloading. Here, the resource includes the calculation speed of the MU, the calculation resource in the MEC server, the transmission power of the MU, and the bandwidth and time allocated to the offloading user.

도 2는 이러한 오프로드 결정 및 리소스 할당 측면에서 MEC에 대한 기존 연구를 정리한 도면이라 할 수 있다. 참고로 도 2의 'study'는 관련 논문을 가리키고 있으나, 본 명세서에는 이의 논문들에 대한 설명은 모두 생략하였다. FIG. 2 is a diagram that summarizes existing studies on MEC in terms of offload determination and resource allocation. For reference,'study' in FIG. 2 indicates related papers, but all descriptions of the papers are omitted in this specification.

한편, 상술한 바와 같이 MEC에 대한 연구는 도 1과 같이 단일 서버 MEC 네트워크용으로 설계되는데, 이를 보면, 매크로 셀 내에 다수의 스몰 셀이 중첩되는 MEC HetNets, 매크로 BS는 MEC 서버를 구비하고, MU는 소형 BS를 통해 MEC 서버로 태스크(task)를 오프로드하는 방식이다. 그러나 이 경우 단일 MEC 서버가 심각하게 오버로드되어 부하가 집중될 수 있다. On the other hand, as described above, the study on MEC is designed for a single server MEC network as shown in FIG. 1. Looking at this, MEC HetNets in which a plurality of small cells are overlapped in a macro cell, macro BS is equipped with a MEC server, and MU Is a method of offloading a task to the MEC server through a small BS. However, in this case, a single MEC server can be severely overloaded and the load can be concentrated.

이러한 단일 서버 MEC 네트워크와 비교하여 다중 MEC 서버는 다음과 같은 이점이 있다. 첫 번째, MU는 사용 가능한 여러 MEC 서버 중에서 계산 작업을 마이그레이션(migration) 할 수 있으므로 단일 MEC 서버의 계산 부담을 줄일 수 있다.Compared to this single server MEC network, multiple MEC servers have the following advantages: First, the MU can migrate computational tasks among multiple available MEC servers, thus reducing the computational burden on a single MEC server.

두 번째, MEC가 여러 셀(즉, 여러 MEC 서버)의 적용 범위 내에 있을 수 있으므로 MU는 더 나은 채널 조건 및 계산 기능을 사용하여 계산을 서버로 오프로드 할 수 있다. 그만큼 MU는 전송 에너지의 소비(즉, 총 에너지 소비)를 절약하고 실행 대기 시간을 단축할 수 있다. Second, since the MEC can be within coverage of multiple cells (i.e. multiple MEC servers), the MU can offload calculations to the server with better channel conditions and calculation capabilities. As such, the MU can save transmission energy consumption (i.e., total energy consumption) and shorten execution waiting time.

세 번째, 부분 오프로딩(partial offloading)의 경우 계산 작업을 더 작은 부분으로 나누고 다른 MEC 서버로 오프로드할 수 있어 실행 대기 시간을 더 줄일 수 있다. Third, in the case of partial offloading, the computational work can be divided into smaller parts and offloaded to another MEC server, further reducing the execution waiting time.

한편, MEC 서버는 정보를 교환하도록 조정하여 인접 MEC 서버에서 오프로드하는 사용자 간의 셀간 간섭현상(ICI: Inter-Cell Interference)를 줄이고 리소스 할당 효율성을 향상시킬 수 있다. 이처럼 다른 MEC 서버 간의 협업은 잠재적으로 클러스터 리소스를 증가시키는 데 도움이 되기 때문에 더 높은 계산 요구 사항을 가진 응용 프로그램을 지원할 수 있는 것이다. Meanwhile, the MEC server can reduce inter-cell interference (ICI) between users offloading from adjacent MEC servers by coordinating information exchange and improve resource allocation efficiency. This collaboration between different MEC servers can potentially help increase cluster resources, thus supporting applications with higher computational requirements.

물론 다중 서버 MEC 네트워크는 여러 서버의 가용성으로 인해 오프로드 결정 문제가 복잡하다. 또 상기 셀간 간선현상이 존재하기 때문에 다중 서버 MEC 네트워크의 자원 할당 문제는 단일 서버 MEC 네트워크의 문제보다 훨씬 더 어렵다. Of course, in a multi-server MEC network, the offload decision problem is complicated due to the availability of multiple servers. In addition, since the trunk line phenomenon exists between cells, the problem of resource allocation in a multi-server MEC network is much more difficult than that of a single server MEC network.

그래서 이러한 문제를 해결하고자 각 셀 내의 스펙트럼 자원은 직교 서브 채널(예를 들어 MU가 계산 태스크를 MEC 서버로 오프로드 하기 위해 사용해야 하는 서브 채널)로 분할될 수 있고, 이는 MU에 효율적으로 할당되어야 한다. 상기 서브 채널 할당을 공통으로 최적화하고 MU에서 전송 전력을 조정함으로써 네트워크 성능을 더욱 향상시킬 수있다.So, to solve this problem, spectral resources within each cell can be divided into orthogonal sub-channels (for example, sub-channels that the MU should use to offload the computational task to the MEC server), which must be efficiently allocated to the MU. . Network performance can be further improved by optimizing the subchannel allocation in common and adjusting the transmit power in the MU.

이와 같은 MEC 서버는 대량으로 소정 지역에 배치될 수 있는데, 사용자와 MEC 서버간의 연관은 MEC 서버의 배치 위치에 크게 의존한다. 즉 특정 영역은 많은 수의 MEC 서버에 의해 고밀도화될 수 있지만 다른 영역에는 하나의 MEC 서버만 배치될 수 있다. 이 경우 MU는 우선순위와 보안 수준이 다른 응용 프로그램 및 서비스를 실행할 수 있다. 예를 들면 일부 서비스는 보안 고려 사항으로 인해 사설 MEC 서버에서만 실행할 수 있는 것이다. Such MEC servers may be deployed in a predetermined area in a large amount, and the association between the user and the MEC server largely depends on the location of the MEC server. That is, a specific area can be densified by a large number of MEC servers, but only one MEC server can be deployed in another area. In this case, the MU can run applications and services with different priorities and security levels. For example, some services can only run on private MEC servers due to security considerations.

또한, 계산 작업은 입력 데이터 크기, 계산 작업량 및 실행 기한이 다를 수 있다. 따라서 공동 자원 할당 문제는 이러한 특성들을 고려해야 한다.In addition, the calculation task may have different input data size, calculation workload, and execution deadline. Therefore, the problem of common resource allocation should take these characteristics into account.

본 발명에 따르면 이러한 컴퓨팅 오프로딩이나 다중 MEC 서버 등의 기술적 특징 등을 고려하여, 다중 서버 MEC 네트워크에서 분산 컴퓨팅 오프로드 및 리소스 할당을 제안한다. 분산 컴퓨팅 오프로딩을 가능하게 하기 위해, 무선 통신에서 다수의 자원 할당 문제의 분산 알고리즘을 설계하는 강력한 툴(Tool)인 매칭 이론(matching theory)이 채택된다.The present invention proposes distributed computing offloading and resource allocation in a multi-server MEC network in consideration of technical features such as computing offloading or multiple MEC servers. In order to enable distributed computing offloading, matching theory, which is a powerful tool for designing a distributed algorithm of multiple resource allocation problems in wireless communication, is adopted.

도 3은 기존 방식과 본 발명의 방식에 따른 오프로딩 확률 및 오버헤드의 결과를 비교한 그래프이다. 이를 보면, 본 발명에서 제안한 시스템(JCORAMS)이 오프로드 확률 및 계산 오버 헤드 측면에서 이러한 대체 기법보다 성능이 우수함을 확인할 수 있다.3 is a graph comparing the result of offloading probability and overhead according to the conventional method and the method of the present invention. From this, it can be seen that the system (JCORAMS) proposed in the present invention is superior to the alternative technique in terms of offload probability and computational overhead.

즉, MU가 많을수록 각 MU가 선호하는 MEC 서버 및 서브 채널을 활용할 확률이 낮아지고 MU 중 셀간 간섭현상(ICI)이 더 심각해지기 때문에 오프로드 확률은 감소하고 총 계산 오버 헤드는 MU 수가 많을수록 증가하고 있음을 알 수 있다.In other words, as the number of MUs increases, the probability of using the MEC server and sub-channel that each MU prefers decreases, and the inter-cell interference (ICI) among MUs becomes more severe, so the offload probability decreases and the total computational overhead increases as the number of MUs increases. You can see that there is.

여기서, 도 3의 (b)를 보면 모든 계산 작업을 오프로드 하는 것이 항상 좋지만은 않음을 알 수 있다. 즉 MU 수가 충분히 많은 경우 로컬 컴퓨팅 전용 방법(Local only)보다 성능이 나빠지는 경우도 있고, 이는 제한된 수의 무선 및 계산 리소스를 많은 MU들이 공유해야 하기 때문이다. Here, looking at (b) of FIG. 3, it can be seen that it is not always good to offload all calculation tasks. That is, when the number of MUs is sufficiently large, performance may be worse than that of the local only method, because a limited number of radio and computational resources must be shared by many MUs.

한편, 본 발명은 무선 백홀 링크의 공존을 지원하고 무인 항공기(UAV)를 배치하여 이를 비행 MEC 서버로 사용할 수 있는 MEC 기반 HetNet 아키텍처를 제공한다. Meanwhile, the present invention provides a MEC-based HetNet architecture that supports coexistence of wireless backhaul links and deploys an unmanned aerial vehicle (UAV) to use it as a flight MEC server.

알려진 바와 같이 많은 장점이 있지만 초고밀도 소형 셀에 무선 백홀 연결을 제공하는 데에는 비용과 시간이 많이 소요된다. 또 소형 셀(SBS)의 위치 및 모바일 사용자의 QoS 요구 사항과 같은 유선 백홀의 배치를 위해 고려해야 할 많은 요소가 많다.As is known, there are many advantages, but it is costly and time consuming to provide wireless backhaul connectivity to ultra-dense small cells. There are also many factors to consider for the deployment of wired backhaul, such as the location of small cells (SBS) and QoS requirements of mobile users.

무선 백 홀은 여러 주파수 대역을 사용할 수 있다. 예를 들어 6GHz ~ 60GHz의 마이크로파 대역, V-대역을 포함하는 밀리미터파 대역(57 ~ 76GHz), E- 대역 (71 ~ 76, 81 ~ 86, 92 ~ 95GHz), W- 대역(92 ~ 94, 94.1 ~ 100, 102 ~ 109.5 및 111.8 ~ 114.25GHz) 및 D-대역 (130 ~ 134, 141 ~ 148.5, 151.5 ~ 164 및 167 ~ 174.8GHz), 6GHz 이하 대역, 위성 주파수 대역 및 TV 공백 대역 등이다. The wireless backhaul can use several frequency bands. For example, 6GHz to 60GHz microwave band, millimeter wave band including V-band (57 to 76GHz), E-band (71 to 76, 81 to 86, 92 to 95GHz), W-band (92 to 94, 94.1 to 100, 102 to 109.5 and 111.8 to 114.25 GHz) and D-band (130 to 134, 141 to 148.5, 151.5 to 164 and 167 to 174.8 GHz), sub 6 GHz band, satellite frequency band, and TV blank band.

또, 초고밀도 HetNets 네트워크서 고용량 무선 백 홀을 효율적으로 배치할 수 있는 방법으로 자유 공간 광 통신(free-space optical communication)이다.In addition, free-space optical communication is a method that can efficiently deploy high-capacity wireless backhaul in ultra-high-density HetNets networks.

따라서 무선 백 홀의 달성 가능한 용량은 10Gbps 이상에 이를 것으로, 무선 백홀은 고밀도 HetNets 네트워크에서 실질적인 솔루션이 될 수 있다. 또한 무선 백 홀은 도달하기 어려운 시골지역과 같은 일부 영역에 유지 관리비용을 절감하면서 무선 액세스를 제공할 수 있다.Therefore, the achievable capacity of wireless backhaul will reach 10Gbps or more, and wireless backhaul can be a practical solution in high-density HetNets networks. In addition, wireless backhaul can provide wireless access to some areas, such as hard-to-reach rural areas, while reducing maintenance costs.

이 뿐만 아니라, 5G 네트워크 이상은 응급 서비스 및 재난 상황을 지원할 것으로 예상되는데, 유선 백 홀의 장애는 빠른 수리가 어렵다는 점에서 네트워크 응답 및 안정성에 심각한 영향을 미치는 반면 무선 백홀 링크는 이러한 문제를 해결할 수 있다. In addition, 5G network abnormalities are expected to support emergency services and disaster situations. Wired backhaul failures seriously affect network response and stability in that fast repairs are difficult, while wireless backhaul links can solve these problems. .

이러한 문제점으로 인하여 지상 통신이 만족할 수 없을 때 일시적 또는 예상치 못한 요구를 충족시키기 위한 대체 솔루션으로 무인 항공기(UAV) 지원 무선시스템을 제공하는 것이다. 최근 무인 항공기(UAV)는 다양한 응용 분야에서 사용되고 있다. 즉 UAV의 지속적인 비용 절감 덕분에 지상 사용자에게 통신을 제공하고 네트워크 범위와 용량을 늘리는 데 사용되는 비행기지국(BS)으로서 UAV를 배포할 수 있다. Due to this problem, it is to provide an unmanned aerial vehicle (UAV) support radio system as an alternative solution to meet temporary or unexpected demands when ground communication is not satisfactory. Recently, unmanned aerial vehicle (UAV) has been used in a variety of applications. This means that UAVs can be deployed as an airplane base station (BS), which is used to provide communications to ground users and increase network coverage and capacity, thanks to UAVs' continued cost savings.

또한, 재난 및 긴급 상황이나 예기치 않은 상황에 신속하게 UAV를 배치할 수 있다. 예를 들어 지상 네트워크 인프라가 안정적인 통신을 제공하지 못하고 복구가 늦어질 경우 인터넷 연결을 위하여 UAV를 배치할 수 있는 것이다. In addition, UAVs can be quickly deployed in disasters, emergencies or unexpected situations. For example, if the terrestrial network infrastructure does not provide stable communication and recovery is delayed, a UAV can be deployed for internet connection.

또한 UAV의 상태와 통신을 공동으로 최적화하여 네트워크 성능을 향상시킬 수 있다. 예를 들어 UAV의 에너지 소비를 비행 속도, 방향 및 가속도를 최적으로 조정하여 향상시킬 수 있다는 점에서 최종 사용자의 QoS 요구사항이 충족할 수 있고, 고도와 이동성을 조정하여 잠재적인 사용자와 안정적으로 연결을 셋팅할 수 있다. In addition, network performance can be improved by jointly optimizing the UAV's state and communication. End-user QoS requirements can be met, for example, in that the energy consumption of UAVs can be improved by optimally adjusting flight speed, direction and acceleration, and reliably connected with potential users by adjusting altitude and mobility. Can be set.

그리고 가시거리 통신 링크를 통해 UAV에서 지상 사용자로의 신호를 개선할 수 있어, 신호 음영 및 차단 영향을 줄일 수 있다. In addition, it is possible to improve the signal from the UAV to the ground user through the visible range communication link, thereby reducing the effect of signal shading and blocking.

물론 한정된 무게와 크기로 인해 UAV의 온-보드 에너지가 제한되고 UAV 지원 무선 시스템의 성능이 크게 영향을 받을 수 있을 것이다.Of course, due to the limited weight and size, the on-board energy of the UAV will be limited, and the performance of the UAV-enabled wireless system will be greatly affected.

따라서 무선 통신에서 UAV를 최대한 활용하기 위해서는 UAV-BS 통신을 위한 공대지(air-to-ground) 채널 모델링 및 기지국 대 공중(BS-to-Air) 통신을 위한 지대공(ground-to-막) 채널 모델링과 같은 방안이 마련되어야 한다. 예를 들면 UAV 통신, 최적의 UAV 배치, UAV의 에너지 인식 작동, 다중 UAV 시스템의 간섭 인식 자원 관리 및 UAV 지원 무선 네트워크의 성능 분석 등을 통해 최적의 모델링을 제안해야 한다. Therefore, in order to maximize the use of UAV in wireless communication, air-to-ground channel modeling for UAV-BS communication and ground-to-membrane channel modeling for BS-to-Air communication A plan like this should be prepared. For example, it is necessary to propose an optimal modeling through UAV communication, optimal UAV placement, energy recognition operation of UAV, interference recognition resource management of multiple UAV systems, and performance analysis of UAV supported wireless networks.

한편, 5G 네트워크는 통신뿐만 아니라 계산, 캐싱 및 제어(4C)도 지원한다.따라서 UAV 통신, 엣지 컴퓨팅 및 이기종 네트워크를 통합할 수 있는 새로운 아키텍처가 필요하다. Meanwhile, 5G networks support not only communication but also computation, caching, and control (4C), which requires a new architecture that can integrate UAV communications, edge computing, and heterogeneous networks.

종래에도 UAV를 HetNet에 통합한 연구는 있었다. 그러나 UAV의 높은 이동성과 HetNet의 밀집된 배치로 인해 효과적인 간섭 관리 체계를 설계하는 데는 몇 가지 장애가 있었다. 예를 들면, BS의 손상과 기능 장애로 인한 정전 문제, UAV의 이동성 및 동적 위치, 장애나 재난 등으로 인한 버스트 데이터(burst data) 전송, 미션 크리티컬 애플리케이션(mission critical application)을 위한 높은 QoS 및 낮은 지연 시간 요구 사항 등이다.In the past, there have been studies in which UAVs were integrated into HetNet. However, due to the high mobility of the UAV and the dense deployment of HetNet, there were some obstacles to designing an effective interference management system. For example, power failure due to damage and malfunction of BS, mobility and dynamic location of UAV, transmission of burst data due to failure or disaster, high QoS and low Latency requirements, etc.

이러한 문제를 해결하고자, UAV의 최대 배포 지연을 최소화하는 것과, 전체 배치 지연을 최소화하는 노력들이 있었다. 즉 비행 기지국(BS)로서의 UAV, 모바일 릴레이로서의 UAV, UAV 지원 에너지 전송 및 UAV 지원 캐싱을 포함하여 UAV 지원 HetNet의 잠재적 응용을 보여주기 위한 대표적인 시나리오가 제시된 바 있다. 또 정적 네트워크와 비교하여 UAV 지원 HetNets 네트워크의 우수한 성능을 보여 주었으며 UAV 간의 조정, UAV의 에너지 제한, 플라잉 애드 훅(flying ad hoc) 네트워크 및 UAV 배치 등을 보여줬다.In order to solve this problem, efforts have been made to minimize the maximum distribution delay of the UAV and the overall deployment delay. That is, representative scenarios have been presented to show the potential applications of UAV-supported HetNet, including UAV as a flying base station (BS), UAV as mobile relay, UAV-assisted energy transmission, and UAV-assisted caching. It also showed superior performance of UAV-supported HetNets network compared to static networks, and showed coordination between UAVs, energy limitation of UAVs, flying ad hoc networks and UAV deployments.

다른 예로 2-계층 공중-지상 이동 에지 네트워크 아키텍처(MEN)가 제안되기도 했다. MEN는 네트워크 치밀화, 이동 에지 캐싱 및 MEC를 포함하여 MET에 대한 3가지 기본 컴포넌트를 결합하는 방안이다. As another example, a two-layer air-ground mobile edge network architecture (MEN) has been proposed. MEN is a scheme that combines the three basic components of MET, including network densification, moving edge caching, and MEC.

또 다른 예로, 네트워크 인터워킹, MEN의 성능 평가방법, 통신(즉 액세스, 프론트 홀 및 백홀) 링크의 예측 및 최적화, 소프트웨어 정의 네트워킹 기반 제어 및 통신체계 등과 같은 아키텍처도 제시되었다. As another example, architectures such as network interworking, MEN performance evaluation methods, prediction and optimization of communication (ie, access, front haul and backhaul) links, and software-defined networking-based control and communication systems are also presented.

그러나 이러한 방안들은 공중 및 지상 레이어가 서로 연결되는 구성이다. However, these schemes are a configuration in which the air and ground layers are connected to each other.

본 발명에서 제안하는 네트워크 아키텍처는 MEC 및 HetNets의 관점에서 제안되며, 각 MU는 SBS, MBS 또는 비행 UAV 지원 BS에서 제공될 수 있다. 그리고 두 SBS와 MBS 간의 통신은 무선 백홀 또는 유선 링크를 통해 연결된다. The network architecture proposed in the present invention is proposed in terms of MEC and HetNets, and each MU may be provided by SBS, MBS or flight UAV supporting BS. And communication between the two SBS and MBS is connected through a wireless backhaul or a wired link.

MEC와 HetNets의 중요성을 감안할 때 5G 네트워크는 MEC와 HetNets의 통합, MEC 배치를 위한 무선 및 유선 백 홀의 공존, 재난 및 긴급 상황에 대한 UAV 지원을 수행할 수 있는 아키텍처라 할 수 있다. 즉 MEC 지원 UAV 지원 HetNets에 대한 아키텍처인 것이다. Given the importance of MEC and HetNets, the 5G network can be said to be an architecture that can perform the integration of MEC and HetNets, coexistence of wireless and wired backhaul for MEC deployment, and UAV support for disasters and emergencies. That is, it is an architecture for MEC-supported UAV-supported HetNets.

이러한 본 발명이 제안하고 있는 구성을 도 4를 참조하여 설명한다. 본 발명은 멀티 액세스 엣지 컴퓨팅이 가능한 이기종 네트워크 시스템이고, 다양한 통신 및 계산 리소스를 고려하여 설계된 MEC 지원 HetNets 아키텍처이다.The configuration proposed by the present invention will be described with reference to FIG. 4. The present invention is a heterogeneous network system capable of multi-access edge computing, and a MEC-supported HetNets architecture designed in consideration of various communication and computational resources.

다양한 네트워크 사업자가 기지국을 물리적으로 배치하기 위해 공유하는 무선 기지국인 MBS(110)가 구비된다. MBS(110)는 무선 셀룰러 타워 일 수 있으며, 개별 BS를 물리적으로 배치하기 위해 다수의 네트워크 사업자 간에 공유된다. 따라서 소형 셀의 네트워크 사업자는 다를 수 있다. 상기 MBS(110)는 MU에 서비스를 제공하기 위하여 전용 광섬유 링크(Fiber link)를 통해 하나 또는 MEC 서버(120) 그룹에 링크된다.The MBS 110, which is a wireless base station shared by various network operators to physically deploy the base station, is provided. MBS 110 may be a wireless cellular tower, and is shared among multiple network operators to physically deploy individual BSs. Therefore, small cell network operators may be different. The MBS 110 is linked to one or a group of MEC servers 120 through a dedicated fiber link in order to provide a service to the MU.

전술한 바와 같이, MEC와 HetNets의 통합은 소형 셀을 실제 네트워크 상태에 유연하게 적응하여 배치되도록 종래의 유선 및 무선 백 홀의 공존을 지원한다. 실시 예에서 셀은 총 3개가 구비된다. 셀들은 예를 들어, 도달하기 어려운 위치에는 소형 셀 1(SBS 1)(130) 및 3(SBS 3)(150)은 무선 백홀(wireless backhaul) 링크에 의해 MBS(110)에 연결되는 반면, 소형 셀 2(SBS 2)(140)는 종래의 유선 백홀(wire link) 연결을 통해 MBS(110)로부터 데이터를 전달 및 수신할 수 있게 구성된다.As described above, the integration of MEC and HetNets supports the coexistence of conventional wired and wireless backhaul so that small cells can be flexibly adapted to the actual network conditions and deployed. In the embodiment, a total of three cells are provided. Cells, for example, in hard-to-reach locations, small cells 1 (SBS 1) 130 and 3 (SBS 3) 150 are connected to MBS 110 by a wireless backhaul link, whereas small Cell 2 (SBS 2) 140 is configured to transmit and receive data from the MBS 110 through a conventional wired backhaul (wire link) connection.

상기 소형 셀 1(SBS 1)(120) 및 3(SBS 3)(150)에서 MU의 계산은 먼저 무선 백홀 링크를 통해 MBS(110)로 오프로드 된 다음 광섬유 연결을 통해 MEC 서버(120)로 오프로드 된다. 반면, 소형 셀 2(SBS 2)(140)는 유선 백홀을 통해 MBS(110)에 연결되므로 소규모 셀 2(SBS 2)와 연관된 MU는 유선 백홀을 통한 오프로딩 시간을 무시할 수 있다. The calculation of the MU in the small cells 1 (SBS 1) 120 and 3 (SBS 3) 150 is first offloaded to the MBS 110 through a wireless backhaul link, and then to the MEC server 120 through an optical fiber connection. It is off-road. On the other hand, since the small cell 2 (SBS 2) 140 is connected to the MBS 110 through a wired backhaul, the MU associated with the small cell 2 (SBS 2) may ignore the offloading time through the wired backhaul.

한편, 상기 MBS(110)와 MU 1(160)은 직접 연결된다. 그러기 때문에, 컴퓨팅 시간은 오프로드 시간(자신에서 MBS로의 전송 시간)과 MEC 서버(120)의 제한된 컴퓨팅 리소스로 인한 시간을 포함하게 된다. 따라서 광섬유 링크를 통한 MBS(110)에서 MEC 서버(120)로의 오프로드 시간은 전적으로 무시될 수 있다.Meanwhile, the MBS 110 and the MU 1 160 are directly connected. Therefore, the computing time includes offload time (transfer time from itself to MBS) and time due to limited computing resources of MEC server 120. Therefore, the offload time from the MBS 110 to the MEC server 120 over the optical fiber link can be completely ignored.

MEC 네트워크에 대한 기존 문헌의 대부분은 기존의 다중 셀 네트워크에 부적합한 무한 백홀 용량의 가정에 거의 전적으로 의존하지만, MEC 권한을 가진 HetNets에서 더욱 악화될 수 있다. 이러한 백홀 용량의 제한으로 인해 자원 관리 문제는 작업 링크 및 이기종 계산 기능과 같은 다른 기능을 고려할 뿐만 아니라 액세스 링크 및 백홀 연결을 통한 전송 대역폭을 할당해야 한다.Much of the existing literature on MEC networks relies almost entirely on the assumption of infinite backhaul capacity, which is unsuitable for existing multi-cell networks, but it can be further exacerbated in HetNets with MEC rights. Due to this limitation of backhaul capacity, resource management issues require not only to consider other functions such as working links and heterogeneous computational functions, but also to allocate the transmission bandwidth over the access link and backhaul connection.

본 발명의 아키텍처는 전체 네트워크에서 클라우드 서비스의 가용성을 보장하기 위해 기존 중앙 클라우드와 분산 MEC의 공존을 지원한다. MEC 서버(120)와 달리 중앙 클라우드에는 훨씬 더 강력한 계산 기능이 있어 많은 수의 신호 작업을 중앙 집중식으로 처리할 수 있다. The architecture of the present invention supports coexistence of an existing central cloud and a distributed MEC to ensure availability of cloud services in the entire network. Unlike the MEC server 120, the central cloud has a much more powerful computational function, allowing a large number of signal tasks to be centrally processed.

기존의 클라우드 컴퓨팅 중앙 집중화로 인해 대기 시간이 길고 프론트 링크 링크에 대한 부담과 같은 일부 제한이 발생할 수 있다. 그러나 분산 MEC는 실시간 비디오 게임, IoT 및 이동성 관련 및 위치 인식 응용 프로그램과 같은 새로운 응용 프로그램 및 서비스에 더 적합하다.Due to the existing centralization of cloud computing, some limitations such as high latency and a burden on the front link link may occur. However, decentralized MECs are more suitable for new applications and services such as real-time video games, IoT, and mobility-related and location-aware applications.

본 발명에 따르면, MBS(110)는 광섬유 백본 네트워크를 통해 중앙 집중식 클라우드(190, Cloun Computing Center)에 연결된다. C-RAN (클라우드 무선 액세스 네트워크)에서 BS는 분산 원격 무선 헤드(RRH)와 베이스 밴드 신호 처리 기능을 담당하는 중앙 집중식 베이스 밴드 유닛(BBU)으로 구성된다.According to the present invention, the MBS 110 is connected to a centralized cloud 190 (Clon Computing Center) through an optical fiber backbone network. In the C-RAN (Cloud Radio Access Network), the BS consists of a distributed remote radio head (RRH) and a centralized base band unit (BBU) responsible for baseband signal processing functions.

다중 계층 컴퓨팅 아키텍처는 클라우드 센터(190)가 중앙 BBU에 배치되고 에지 서버가 분산 RRH(,즉 매크로 RRH 및 소형 RRH)에 배치되는 C-RAN에서 설계될 수 있다. 이러한 계층 구조를 통해 MU는 이기종 계산 기능을 갖춘 다양한 컴퓨팅 서버를 활용할 수 있고, 동일하거나 다른 계층의 컴퓨팅 서버와 협력하여 컴퓨팅 성능을 향상시키기 위한 계산을 수행할 수 있다.The multi-tier computing architecture can be designed in a C-RAN where the cloud center 190 is deployed in a central BBU and edge servers are deployed in a distributed RRH (i.e., macro RRH and small RRH). Through this hierarchical structure, the MU can utilize various computing servers with heterogeneous computing functions, and can perform calculations to improve computing performance by cooperating with computing servers of the same or different tiers.

그리고 중앙 서버는 셀룰러 네트워크에 통합될 수 있으나, 아마존 웹 서비스(AmazonWeb Service), 마이크로소프트 애저(Microsoft Azure) 및 구글 클라우드 플랫폼(Google Cloud Platform)과 같은 독립형 일 수 있다.And the central server can be integrated into the cellular network, but can be standalone such as AmazonWeb Service, Microsoft Azure and Google Cloud Platform.

MEC 서버(120)가 지원하는 HetNet의 계산 기능을 강화하고 자연재해 및 비상 상황에 대한 적용범위와 서비스를 보장하기 위해 컴퓨팅 리소스가 있는 UAV 탑재 BS(170)가 구비된다. 즉 본 발명은 UAV 가능 MEC 강화 HetNets를 이용하여, 다음의 시나리오를 제공할 수 있다.In order to reinforce the calculation function of HetNet supported by the MEC server 120 and to ensure coverage and services for natural disasters and emergency situations, a UAV-mounted BS 170 with computing resources is provided. That is, the present invention can provide the following scenario using UAV-capable MEC-enhanced HetNets.

먼저, 지진과 같은 자연재해 이후에 전통적인 지상 통신 인프라가 손상되거나 부분적으로 고장날 수 있기 때문에 UAV를 사용하여 (i) 건물 손상 및 공장 사진과 같은 정보를 수집하여 현장 정보를 원격으로 전송하는 구성, (ii) 지진 발생 지역에서 사람들을 찾는 구성, (iii) MU에 기본 서비스를 제공한다. First, because traditional terrestrial communication infrastructure can be damaged or partially broken after natural disasters such as earthquakes, UAVs are used to (i) collect information such as building damage and factory photos and transmit site information remotely, ( ii) the composition of finding people in the earthquake-prone area, and (iii) providing basic services to the MU.

또한, 가상현실이나 대규모 게임 도중에는 기존의 MEC 서버(120)는 컴퓨팅에 제한적이고 추가 서비스를 제공하지 못할 수 있어, 더 많은 UAV 탑재 MEC 서버(170)를 사용하여 (i) 불법 활동의 감시를 수행하고 (ii) 가상현실에서 360°축구 경기를 생성, 표시할 수 있도록 한다.In addition, during virtual reality or large-scale games, the existing MEC server 120 is limited to computing and may not be able to provide additional services, so more UAV-equipped MEC servers 170 are used to (i) monitor illegal activities. And (ii) make it possible to create and display a 360° soccer game in virtual reality.

상술한 바와 같이 MU 1(160)에서 MEC 서버(120)로의 작업 오프로드와 유사하게 MU 2(162)는 직접 또는 간접적으로 UAV 장착 MEC 서버(170)로 오프로드 할 수 있다. 예를 들어, MU 2(162)에는 연결할 소형 셀이나 MBS(110)가 없기 때문에 UAV 탑재 MEC 서버(170)는 MU 2의 계산 작업에 가까운 고도와 위치를 조정하고 MU 2(162)의 계산 작업을 처리한다. 그리고 MU 2(162)는 계산 작업을 UAV 탑재 MEC 서버(170)에 오프로드 한다.Similar to offloading work from MU 1 160 to MEC server 120 as described above, MU 2 162 may directly or indirectly offload to the UAV-equipped MEC server 170. For example, MU 2 (162) does not have a small cell or MBS (110) to connect, so the UAV-equipped MEC server (170) adjusts the altitude and position close to that of MU 2 and calculates the MU 2 (162). Process. In addition, MU 2 162 offloads the calculation work to the UAV-equipped MEC server 170.

최근에, 자유 공간 광(FSO) 통신은 무선 네트워크를 위한 백홀/프론트 홀링을 포함한 광범위한 애플리케이션에 매우 매력적이다. 상기 FSO 통신의 주요 장점은 구축 용이성, 최대 몇 킬로미터까지의 장거리 전송, 높은 데이터 속도(10Gbps 이상), 전자기 간섭에 대한 견고성, 보안 강화 및 전이중 작동 등이라 할 수 있다.Recently, free space optical (FSO) communication is very attractive for a wide range of applications including backhaul/front hauling for wireless networks. The main advantages of the FSO communication are ease of construction, long-distance transmission of up to several kilometers, high data rates (more than 10 Gbps), robustness against electromagnetic interference, enhanced security, and full-duplex operation.

따라서 본 발명에서는 UAV 탑재 MEC 서버(170)와 소형 셀(150) 사이의 프론트홀 링크(fronthaul link)에 FOS를 사용하여 연결한다. 이러한 UAV 탑재 MEC 서버(170)는 서로 다른 고도에 배치할 수 있다는 점에서 다양한 용도로 사용 가능하다.Therefore, in the present invention, the fronthaul link between the UAV-mounted MEC server 170 and the small cell 150 is connected using FOS. The UAV-mounted MEC server 170 can be used for various purposes in that it can be disposed at different altitudes.

상기 UAV 탑재 MEC 서버(170)는 한정된 온-보드 에너지로 인해 오랜 시간 동안 사용이 어렵기 때문에, 충분한 작업 처리를 수행할 수 없다. 따라서 UAV 탑재 MEC 서버(170)는 계산이 많은 작업을 지상 MEC 서버로 오프로드 할 수 있다.Since the UAV-mounted MEC server 170 is difficult to use for a long time due to limited on-board energy, it cannot perform sufficient work processing. Accordingly, the UAV-equipped MEC server 170 can offload the computationally-intensive work to the ground MEC server.

또한, UAV 탑재 MEC 서버(170)는 지상 제어국(GBS)(180)과 FSO 백홀 링크(backhaul link)를 설정하여 제어 신호 및 피드백 수집된 정보 및 통계 데이터를 수신할 수도 있다. In addition, the UAV-equipped MEC server 170 may set a ground control station (GBS) 180 and an FSO backhaul link to receive control signals and feedback collected information and statistical data.

본 발명은 MEC 및 HetNets의 잠재적 기능으로 인하여 유선 및 무선 백 홀과 UAV 고려 사항을 통합하여 제안된 MEC 강화 HetNets 아키텍처로서, 추가적인 문제가 있을 수 있다.The present invention is a MEC-enhanced HetNets architecture proposed by integrating UAV considerations with wired and wireless backhaul due to the potential function of MEC and HetNets, and may have additional problems.

HetNets에서 셀간 간섭현상(ICI)이 커지면 무선 백홀 용량이 크게 저하된다. 무선 백 홀은 수 Gbps의 속도를 제공할 수 있는 기존의 유선 백 홀의 속도보다 훨씬 더 엄격한 수 Gbps의 속도를 지원할 수 있다. 반면, 유선 백홀 용량은 고정되어 있지만 무선 백홀에 대한 대역폭 리소스를 할당하는 것이 매우 유연하다. In HetNets, when the inter-cell interference (ICI) increases, the wireless backhaul capacity is greatly reduced. Wireless backhaul can support speeds of several Gbps, which is much more stringent than that of conventional wired backhaul, which can provide speeds of several Gbps. On the other hand, although the wired backhaul capacity is fixed, it is very flexible to allocate bandwidth resources for wireless backhaul.

그러기 때문에, MBS(110)는 다수의 소형 셀(130, 140, 150)에 무선 백 홀을 제공하고 동시에 무선 및 액세스 전송을 위한 대역폭 분할 및 MBS(110)와 동일한 백 홀을 공유하는 상이한 소형 셀(130, 140, 150)에 대한 시분할과 같은 상이한 무선 백홀 연결에 자원을 할당한다.Therefore, the MBS 110 provides a wireless backhaul to a number of small cells 130, 140, 150 and simultaneously divides the bandwidth for radio and access transmission, and a different small cell that shares the same backhaul as the MBS 110. Allocates resources to different wireless backhaul connections, such as time division for (130, 140, 150).

MEC 강화 HetNets에서 SBS의 전송 전력과 대역폭 분할 요소는 무선 백홀 용량에 공동으로 영향을 미친다.In MEC-enhanced HetNets, the transmit power and bandwidth division factors of the SBS jointly affect the wireless backhaul capacity.

한편, 오프로딩은 컴퓨팅 작업의 특성, SBS(130, 140, 150)의 전송전력, 대역폭 할당 인자 및 MEC 서버(120)에서의 최대 계산 능력에 따라 결정된다. 즉, 네트워크 성능을 향상시키기 위해서는 간섭 관리, 오프로딩 결정 및 자원(대역폭 및 계산) 할당 문제가 있다.On the other hand, offloading is determined according to the characteristics of the computing task, the transmission power of the SBS (130, 140, 150), the bandwidth allocation factor, and the maximum computing power in the MEC server 120. That is, in order to improve network performance, there are problems with interference management, offloading decisions, and resource (bandwidth and calculation) allocation.

상기 셀간 간섭현상(ICI)는 MEC 권한을 가진 HetNets 뿐만 아니라 기존의 다중 셀 네트워크에서 고성능을 얻는 데 주요 장애물이므로, 이는 인접한 MEC 서버(120) 사이에서 셀간 간섭현상(ICI)을 완화하기 위한 다음과 같은 방안이 필요하다. The inter-cell interference phenomenon (ICI) is a major obstacle to obtaining high performance in the existing multi-cell network as well as HetNets with MEC authority, so this is the following for mitigating the inter-cell interference phenomenon (ICI) between adjacent MEC servers 120 We need the same solution.

우선 셀 공간을 여러 영역으로 분할하고 각 영역에 고유한 주파수 대역을 할당하는 FFR(Fractional Frequency Reuse)이다. 이를 이용하면 셀-에지 사용자는 셀-중심 사용자를 방해하지 않으며 인접 셀의 셀-에지 사용자를 방해하지 않을 수 있고, 따라서 수신 신호의 품질을 향상시킬 수 있다. 최적의 FFR을 통해 셀 간 및 셀 내 간섭을 크게 줄일 수 있는 것이다.First, it is Fractional Frequency Reuse (FFR) that divides the cell space into several regions and allocates a unique frequency band to each region. By using this, the cell-edge user does not interfere with the cell-centered user and the cell-edge user of the adjacent cell may not be disturbed, and thus the quality of the received signal can be improved. Inter-cell and intra-cell interference can be greatly reduced through optimal FFR.

그리고 MU의 전송 전력을 적응적으로 조정(power control)하는 것이다. 즉 오프로드 MU의 전송 전력을 높이면 전송속도와 오프로드 시간이 증가할 수 있기 때문이다. In addition, the transmission power of the MU is adaptively adjusted (power control). That is, if the transmission power of the offload MU is increased, the transmission speed and offload time can be increased.

또 3D 빔 포밍이다. MEC에 대한 대부분의 연구는 단순히 출력 결과 크기가 작고 MEC 서버(120)로부터의 다운 링크 전송 전력이 높다고 가정했기 때문에 계산 결과를 다시 MU로 반환하기 위한 다운 링크 대기 시간 및 에너지 소비는 무시할 만하다. 다수의 MU는 계산 오프로딩을 즉시 요청할 수 있으며, 예를 들어 증강 현실 애플리케이션에서 MU 그룹에 대해 MEC 서버(120)로부터 출력을 멀티캐스트 할 수 있는 반면 MU는 수평공간뿐만 아니라 고층 빌딩이 많은 도시 지역과 같은 수직방향으로 분산될 수 있다.Another is 3D beamforming. Since most studies on MEC simply assumed that the output result size was small and the downlink transmission power from the MEC server 120 was high, the downlink latency and energy consumption for returning the calculation result back to the MU are negligible. Multiple MUs can immediately request computational offloading, e.g. in an augmented reality application, multicast the output from the MEC server 120 for a group of MUs, whereas MUs can be used in urban areas with many skyscrapers as well as horizontal spaces It can be distributed in the vertical direction, such as.

따라서 3D 빔 포밍은 수직 및 수평 차원 모두에서 무선 패턴을 동적으로 제어할 수 있다. 예를 들어 중심 구역 및 에지 구역 MU에 대해 상이한 다운 틸트(tilt)를 적응시킬 수 있다. 여기서 MEC 서버(120) 및 안테나의 다운 틸트의 전송 전력을 최적으로 제어하여 다운 링크 및 업 링크의 공동 최적화를 고려할 수도 있다.Therefore, 3D beamforming can dynamically control radio patterns in both vertical and horizontal dimensions. For example, it is possible to adapt different down tilts for the center zone and edge zone MU. Here, joint optimization of the downlink and the uplink may be considered by optimally controlling the transmission power of the down-tilt of the MEC server 120 and the antenna.

그리고 UAV 궤적을 최적화하여 UAV가 관련 지상 BS(셀룰러 연결 모드) 또는 지상 MU(UAV 지원 모드)에 대한 가시선 연결을 설정하고 동시에 접지 MU에 대한 간섭을 피할 수 있도록 한다. 이는 전송 속도를 높이는 것과 같은 상당한 이득을 제공하고 컴퓨팅 오프로딩으로 인한 지상 MU의 이점을 제공할 수 있다. And by optimizing the UAV trajectory, the UAV can establish a line-of-sight connection to the relevant terrestrial BS (cellular connection mode) or terrestrial MU (UAV support mode) and at the same time avoid interference to the ground MU. This can provide significant gains, such as increasing transmission speed, and can provide terrestrial MU benefits due to computing offloading.

즉 MEC 서버(120)의 밀집된 배치로 인하여 UAV가 지상 서버와 연결될 수 있고, UAV의 전송 전력도 최적화가 가능하기 때문에 셀간 간섭현상(ICI)이 완화되고 UAV 내구성이 향상되는 것이다. That is, due to the dense arrangement of the MEC server 120, the UAV can be connected to the terrestrial server, and since the transmission power of the UAV can be optimized, inter-cell interference (ICI) is alleviated and UAV durability is improved.

다른 문제점으로 오프로딩 결정과 관련된 문제일 수 있다. Another problem may be a problem related to the offloading decision.

소형 셀들(130, 140, 150)은 별개의 백홀 솔루션을 통해 MBS(110)에 연결된다. 무선 백 홀이 있는 소형 셀(130, 140, 150)은 대역폭 분할 요소 외에도 백홀 용량을 결정하는 데 전송 전력이 매우 중요하다. 또 소형 셀(130, 140, 150)은 5G 네트워크에 밀집되어 배치되고 MU는 다수의 소형 셀의 커버리지 내에 존재하게 된다. Small cells 130, 140, 150 are connected to MBS 110 via a separate backhaul solution. For small cells 130, 140, 150 with wireless backhaul, in addition to the bandwidth dividing factor, the transmit power is very important to determine the backhaul capacity. In addition, small cells 130, 140, 150 are densely deployed in a 5G network, and MUs exist within the coverage of a number of small cells.

따라서 각 오프로드 MU는 서로 다른 셀의 할당량, 채널 조건 및 백홀 품질과 관련하여 선호하는 SBS(130, 140, 150)를 선택해야 하는 것이고, 셀에서 MU의 오프로딩 결정을 찾기 위해, 대응하는 BS는 백홀 용량 제약이 위반되지 않고 MEC 서버(120)에서의 계산 자원이 오프 로딩 사용자들 사이에서 상당히 공유되도록 대역폭을 최적으로 분할하게 된다. Therefore, each offload MU has to select a preferred SBS (130, 140, 150) in relation to the allocation amount, channel condition and backhaul quality of different cells, and in order to find the offloading decision of the MU in the cell, the corresponding BS The bandwidth is optimally partitioned so that the backhaul capacity constraint is not violated and the computational resources in the MEC server 120 are significantly shared among offloading users.

여기서 오프로딩 결정의 중앙 집중식 최적화는 모든 MU가 로컬 정보를 중앙 엔티티에 보고해야 하므로 네트워크 전체의 계산 오버 헤드가 커질 수 있다. 또한 휴리스틱(heuristic) 방식은 중앙 집중식 컴퓨팅 오프로드를 해결하기 위해 채택되는 경우가 많으며 무선 네트워크에서 중앙 엔티티가 항상 실현 가능한 것은 아니다.Here, in the centralized optimization of the offloading decision, since all MUs must report local information to a central entity, the overall computational overhead of the network may increase. In addition, heuristic methods are often adopted to solve centralized computing offload, and central entities in wireless networks are not always feasible.

따라서, 분산된 접근법은 각 MU가 로컬 정보 또는 제한된 정보 교환을 사용하여 오프로딩 결정을 독립적으로 결정할 수 있는 방안이라 할 수 있다. 여기에는 매칭 이론(matching theory), 게임 이론(game theory) 및 머신 러닝(maching learning) 등이 있고, 하나가 채택될 수 있다.Therefore, the distributed approach can be said to be a scheme in which each MU can independently determine an offloading decision using local information or limited information exchange. These include matching theory, game theory, and machine learning, and one can be adopted.

컴퓨팅 오프로딩 정책을 설계할 때는 시간에 따라 변하는 채널 품질, 동적 작업 도착률, 오프로딩을 요청하는 사용자 수 및 MEC 서버(120) 수와 같은 네트워크 역학을 고려해야 한다. 또한 통신, 컴퓨팅, 캐싱 및 제어의 통합은 새로운 5G 네트워크에서 많은 응용 프로그램 및 서비스를 성공적으로 구현하는 데 필수적이다.When designing a computing offloading policy, network dynamics such as channel quality that changes over time, dynamic job arrival rate, number of users requesting offloading, and number of MEC servers 120 must be considered. In addition, the integration of communications, computing, caching and control is essential to the successful implementation of many applications and services in new 5G networks.

이와 같은 이유로, 본 발명의 MEC 강화 HetNets는 방대한 양의 변수를 장기적으로 최적화하는 것이 필요하다. 따라서, 마르코프 결정 프로세스(Markov decision process) 및 머신 러닝(maching learning)과 같은 장기 접근법이 특히 적합하다. 예를 들어, MU는 다른 MU와의 상호 작용 및 과거 경험을 통해 현재 네트워크 상태에서 오프로딩를 결정하고 서버를 선택하는 결정을 한다. 그리고 머신 러닝을 사용하여 MEC 서버(120)가 MU의 동작을 예측할 수 있다. 계산 리소스를 효율적으로 할당하고 마지막으로 UAV는 머신러닝을 사용하여 전송 전력 및 할당된 계산 리소스와 같은 궤적 및 최적화 변수를 최적화할 수 있다.For this reason, the MEC-enhanced HetNets of the present invention are required to optimize a vast amount of variables in the long term. Therefore, long-term approaches such as the Markov decision process and machine learning are particularly suitable. For example, the MU makes decisions about offloading and choosing a server in the current network state through interactions and past experiences with other MUs. And, using machine learning, the MEC server 120 can predict the operation of the MU. Allocating computational resources efficiently, and finally, UAVs can use machine learning to optimize trajectories and optimization variables such as transmit power and allocated computational resources.

다음, 계층적 및 협업적 컴퓨팅 오프로드 관련 문제이다. 5G의 개발은 주로 모바일 광대역, 대규모 IoT 및 미션 크리티컬 서비스의 세 가지 범주로 이루어진다. .Next, there is a problem related to hierarchical and collaborative computing offload. The development of 5G mainly consists of three categories: mobile broadband, large-scale IoT and mission-critical services. .

첫 번째 클래스는 매우 높은 데이터 전송률과 대용량을 목표로하며, 두 번째 클래스는 초 고밀도, 초 저에너지 및 초 고확장성 요구 사항을 충족하는 방대한 수의 IoT 장치에 서비스를 제공하는 것이다. 강력한 보안, 초 고신뢰도 및 초 저대기 시간에 대한 요구 사항이 높은 중요 애플리케이션에 적합합니다.The first class is aimed at very high data rates and large capacity, and the second class is to serve a vast number of IoT devices that meet the requirements of ultra high density, ultra low energy and ultra high scalability. It is suitable for critical applications with high requirements for strong security, ultra high reliability and ultra low latency.

또한, 새롭게 부상하는 5G 네트워크의 방대하고 이기종 MU는 배터리 크기, 계산 기능 및 대상 응용 프로그램에서 분명히 다르다. 예를 들어 두 개의 IoT 장치가 있는 네트워크에서 하나는 대략 1ms 엔드 투 엔드 대기 시간이 필요한 애플리케이션을 실행하고 다른 하나는 온도, 습도 및 사진과 같은 환경 조건을 지속적으로 관찰하고 원시 데이터 처리를 위해 애그리게이터(aggregator)에 전달하는 경우, 후자의 MU가 데이터 처리에 필요한 계산 요구 사항이 큰 빅 데이터를 생성할 수 있다. 이 경우 계산 집약적이고 대기 시간이 짧은 응용 프로그램을 사용하는 후자의 IoT 장치는 계산 기능을 상위 서버로 오프로드하는 것을 선호한다.In addition, the vast and heterogeneous MUs of emerging 5G networks are clearly different in battery size, computational capabilities and target applications. For example, in a network with two IoT devices, one runs an application that requires approximately 1 ms end-to-end latency, and the other continuously observes environmental conditions such as temperature, humidity and photography, and an aggregator for processing raw data. If passed to (aggregator), the latter MU can generate big data with large computational requirements for data processing. In this case, the latter IoT devices using computationally intensive and low-latency applications prefer to offload computational functions to higher-level servers.

반대로 대기 시간이 중요한 응용 프로그램을 사용하는 IoT 장치는 낮은 계층 MEC 서버를 사용하는 것이 좋다. Conversely, IoT devices that use latency-critical applications are recommended to use low-tier MEC servers.

또한 MEC 서버(120)는 데스크톱 컴퓨터와 비슷한 크기와 계산 기능을 가지고 있다. 따라서 일부 계산 작업은 하나의 MEC 서버에서만 엄격하게 처리할 수 없을 것이다. 이에 실질적인 컴퓨팅 성능을 향상시키기 위해 서로 다른 서버가 동일한 계산을 실행하는 데 협력하도록 동기를 부여한다. In addition, the MEC server 120 has a size and calculation function similar to that of a desktop computer. Therefore, some computational tasks may not be strictly handled by only one MEC server. This motivates different servers to cooperate to run the same calculations to improve practical computing performance.

무선 백홀에 대한 사용자 연결 및 리소스 할당과 공동으로 최적화 할 경우 계층적 및 공동 작업 계산이 훨씬 더 복잡해 진다. 또한, 대기시간에 민감한 애플리케이션이 있는 MU에 비해 대기 시간에 민감한 애플리케이션이 있는 MU는 더 높은 계산 리소스와 더 나은 연결 품질로 MEC 서버(120)에 액세스하는 데 우선순위가 높다. Hierarchical and collaborative computations become much more complex when jointly optimized with user connections and resource allocation for wireless backhaul. Further, compared to MUs with latency-sensitive applications, MUs with latency-sensitive applications have a higher priority in accessing MEC server 120 with higher computational resources and better connection quality.

다음 MEC 서버(120)의 선택 문제이다. MBS(110)가 다중 운영자 무선 기지국인 복수의 MEC 서버(120)는 동일한 지역에 물리적으로 배치될 수 있다. Next is the selection problem of the MEC server 120. A plurality of MEC servers 120 in which the MBS 110 is a multi-operator wireless base station may be physically located in the same area.

이 경우 다양한 백홀 솔루션으로 인한 사용자 연결 문제 외에도, 사용자를 오프로드하기에 적합한 MEC 서버(120)를 선택하는 효율적인 체계가 매우 필요하다.In this case, in addition to the user connection problem due to various backhaul solutions, there is a very need for an efficient system for selecting the MEC server 120 suitable for offloading users.

단일 사용자 네트워크의 경우 MU는 유선 백홀과 최상의 채널 품질을 갖춘 소형 셀에 연결 한 다음 가장 높은 계산 기능을 갖춘 MEC 서버로 오프로드하는 것이 좋다. For single-user networks, MUs are recommended to connect to small cells with wired backhaul and best channel quality and then offload to MEC servers with the highest computational capabilities.

그러나 실제 네트워크 시나리오는 다중 사용자이며 소규모 셀은 일반적으로 소수의 사용자 할당량이 제한되어 있다. 결과적으로, 각 MU가 자신의 이익에 따라 행동하고 비협조적인 게임과 같이 독립적으로 오프로딩 결정을 내릴 수 있도록 설계할 수 있다. 여기서 각 MU는 최고의 소형 셀(130, 140, 150) 및 MEC 서버(120)를 선택하여 항상 자체 이익, 예를 들면 에너지 소비 최소 및 제한된 전력으로 인한 계산 시간을 최소화하도록 한다.However, the actual network scenario is multi-user, and small cells are usually limited in a few user quotas. As a result, it can be designed so that each MU can act on its own interests and make independent offloading decisions, such as an uncooperative game. Here, each MU selects the best small cells 130, 140, 150 and MEC server 120 to always minimize its own benefits, such as minimum energy consumption and computation time due to limited power.

다음 NOMA(non-orthogonal multiple access) 지원 MEC 네트워크이다. MEC 서버는 원래 계산 및 배터리 용량이 제한된 엔드 디바이스의 계산 기능을 개선하여 다양한 계산 집약적이고 대기 시간이 중요한 응용 프로그램을 실행할 수 있도록 제안되었다.The following is a MEC network supporting non-orthogonal multiple access (NOMA). MEC servers were originally proposed to improve the computational and computational capabilities of end-devices with limited battery capacity to run a variety of computationally intensive and latency-critical applications.

이러한 MEC 서버는 2020년까지 인터넷에 연결된 장치의 수는 약 500억 개를 넘어 세계에 수억 대 이상의 센서가 배포될 것이다. 따라서 많은 수의 장치가 계산 집약적인 작업을 위해 단일 MEC 서버에 동시에 접속할 것으로 예상할 수 있다.These MEC servers will have more than 50 billion devices connected to the Internet by 2020, and more than hundreds of millions of sensors will be deployed around the world. Thus, it can be expected that a large number of devices will simultaneously connect to a single MEC server for computationally intensive tasks.

이 경우, 여러 MU에 서비스를 제공하기 위해 대역폭 및 시간 리소스를 직교 부분으로 나누어 계산 오프로드를 위해 다른 MU에 할당할 수 있다. In this case, in order to provide services to multiple MUs, bandwidth and time resources can be divided into orthogonal parts and allocated to other MUs for computation offload.

또 최근에 NOMA(non-orthogonal multiple access) 가능 MEC 네트워크에 대한 일부 연구는 NOMA와 MEC의 조합이 에너지 소비와 대기 시간을 줄일 수 있다고 보고되고 있다. 그러나 전술한 바와 같이 기존 작업은 단일 서버 MEC 네트워크의 특정 시나리오로 제한된다. 예를 들어 셀간 간섭현상(ICI)이 없는 오프로드 사용자 세트를 고려하면 클러스터당 사용자 클러스터링, 자원 할당 및 전송 전력 제어를 공동으로 최적화하여 오프로드 사용자의 에너지 소비를 최소화한다.In addition, some studies on non-orthogonal multiple access (NOMA) capable MEC networks have recently reported that the combination of NOMA and MEC can reduce energy consumption and latency. However, as mentioned above, the existing work is limited to a specific scenario of a single server MEC network. For example, considering an offload user set without inter-cell interference (ICI), user clustering per cluster, resource allocation, and transmission power control are jointly optimized to minimize the energy consumption of offload users.

그러나 점점 더 많은 MEC 서버가 배치됨에 따라 셀간 간섭현상(ICI)은 셀 에지 사용자의 성능을 엄격하게 제한하기 때문에 셀간 간섭현상(ICI)은 분명한 장애물로 간주된다. 그래서 MEC-powered HetNets에서 NOMA의 이점을 달성하기 위해 사용자 클러스터링, 전력 할당 및 사용자 스케줄링(UCPAUS)은 중요한 문제이지만 ME 서버들은 서로 결합되어 있어 해결 가능하다.However, as more and more MEC servers are deployed, inter-cell interference (ICI) is regarded as a clear obstacle because inter-cell interference (ICI) severely limits the performance of cell edge users. So, user clustering, power allocation, and user scheduling (UCPAUS) are important issues to achieve the benefits of NOMA in MEC-powered HetNets, but ME servers are combined and solved.

하나의 해결책은 각 셀에서 하나의 클러스터만을 고려한 다음 MU의 전송 전력을 할당하는 것이다. 그러나 이 솔루션은 모든 동일 셀 MU의 신호가 송신기 측에서 중첩되고, 크게 중첩된 신호가 수신기 측에서 디코딩되기 때문에 엄청난 복잡성을 갖는다.One solution is to consider only one cluster in each cell and then allocate the transmit power of the MU. However, this solution has enormous complexity because the signals of all the same cell MUs are superimposed on the transmitter side, and the heavily superimposed signals are decoded at the receiver side.

다른 해결책은 각 셀에 여러 개의 클러스터가 있고 각 클러스터를 서브 채널에 할당하고 각 클러스터의 전력 할당을 조정하는 것이다. 이를 통해 단일 클러스터 접근 방식에 비해 복잡성 및 하드웨어 요구 사항을 줄일 수 있다. 그러나 여전히 성능은 최적화되지 않는다.Another solution is to have multiple clusters in each cell, assign each cluster to a sub-channel, and adjust the power allocation of each cluster. This reduces complexity and hardware requirements compared to the single cluster approach. However, the performance is still not optimized.

공동 UCPAUS 문제는 MEC 강화 HetNets에서 매우 복잡하다. 먼저, 각 MU는 이진 오프로드의 경우 오프로드를 결정하거나 부분 오프로드의 경우 오프로드 가능한 계산의 비율을 결정해야 한다. 둘째, 최적의 클러스터 수와 클러스터를 만들기 위해 MU를 선택하는 방법을 결정해야 한다. 그러나 이는 쉽지 않다. 예를 들어, 클러스터링 체계는 두 개의 대기 시간에 중요한 MU를 클러스터에 할당하고 다른 두 개의 대기 시간에 강한 MU를 다른 클러스터에 할당할 수 있다. 이로 인해 네트워크 성능이 향상되긴 한다. 그러나 대기 시간이 중요한 MU에서 소정 동작이 실행되는 완료시간이 충족되지 않을 수 있다.The joint UCPAUS problem is very complex in MEC-enhanced HetNets. First, each MU must determine the offload in case of binary offload or the percentage of offloadable calculations in case of partial offload. Second, it is necessary to determine the optimal number of clusters and how to select the MU to create the cluster. However, this is not easy. For example, a clustering scheme can allocate two latency-critical MUs to a cluster and two other latency-resistant MUs to another cluster. This does improve network performance. However, in the MU where the waiting time is important, the completion time for executing a predetermined operation may not be satisfied.

따라서 하나의 적합한 솔루션은 하나의 대기 시간에 민감한 MU를 하나의 대기 시간에 민감한 MU와 그룹화하는 것이다.Therefore, one suitable solution is to group one latency-sensitive MU with one latency-sensitive MU.

마지막으로 MEC 네트워크의 성능은 MEC 서버(120)에서 계산 리소스 할당의 영향을 크게 받는다. Finally, the performance of the MEC network is greatly affected by the allocation of computational resources in the MEC server 120.

결과적으로, 새로운 5G에서 MEC 및 NOMA를 성공적으로 배치하기 위한 효율적이지만 근접한 체계를 요구하는 NOMA 가능 MEC 네트워크의 성능을 더욱 향상시키기 위해서는 오프로딩 결정, 사용자 클러스터링 및 자원 할당의 연구가 필요하다.As a result, studies of offloading decisions, user clustering, and resource allocation are needed to further improve the performance of NOMA-capable MEC networks that require an efficient but close system for successfully deploying MECs and NOMAs in new 5G.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 MEC 강화 UAV 지원 HetNets에서 MU는 선호하는 소형 셀을 선택하여 오프로드 할 수 있기 때문에 사용자 연결이 가장 중요함을 알 수 있다. 그리고 이는 다른 소형 셀들 사이의 이종 무선 백홀 솔루션에 의해 동기가 부여된다. 또한, 작업 요구 사항 및 컴퓨팅 오버헤드가 할당된 리소스의 영향을 많이 받기 때문에 컴퓨팅 리소스 할당에 충분한 주의를 기울여야 한다. 또한, 본 발명은 MEC 강화 UAV 지원 HetNets의 아키텍처를 제공하는 것이다. As described above, in the present invention, in the MEC-enhanced UAV-supporting HetNets, the MU can select and offload a preferred small cell, so that the user connection is the most important. And it is motivated by a heterogeneous wireless backhaul solution between different small cells. In addition, enough attention should be paid to the allocation of computing resources, as work requirements and computing overhead are greatly affected by the allocated resources. In addition, the present invention is to provide an architecture of MEC-enhanced UAV support HetNets.

이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Although it has been described with reference to the illustrated embodiments of the present invention as described above, these are only exemplary, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains, without departing from the gist and scope of the present invention, various It will be apparent that variations, modifications and other equivalent embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

110: MBS
120: MEC 서버
130, 140, 150: 제1 내지 제3 SBS
160: MU1, 162: MU2
170: UAV
180: 지상 제어국(Ground BS)
190: 클라우드 컴퓨팅 센터
110: MBS
120: MEC server
130, 140, 150: first to third SBS
160: MU1, 162: MU2
170: UAV
180: ground control station (Ground BS)
190: Cloud Computing Center

Claims (5)

모바일 유저에게 서비스 제공을 위하여 전용 광섬유 링크(fiber link)를 통해 MEC 서버와 연결되는 무선 기지국(MBS);
상기 무선 기지국과 무선 백홀(wireless backhaul) 링크에 의해 연결되거나, 유선 백홀로 연결되는 둘 이상의 소형 셀들;
상기 무선 기지국(MBS)과 광섬유 백본 네트워크로 연결되는 중앙 집중식 클라우드 센터;
상기 MEC 서버가 지원하는 이기종 네트워크의 계산기능을 강화하고 확대된 적용범위와 서비스 보장을 위해 다른 고도에 배치될 수 있는 컴퓨팅 리소스가 구비된 비행 기지국; 및
상기 비행 기지국과 FSO 백홀 링크(backhaul link)로 연결되어 제어 신호 및 피드백 수집된 정보, 통계 데이터를 수신하는 지상 제어국(GBS)를 포함하고,
상기 비행 기지국은 어느 하나의 소형 셀과 프론트홀 링크(fronthaul link)에 FSO 링크(free space optical link)를 사용하여 연결되는 멀티 액세스 엣지 컴퓨팅 기반의 이기종 네트워크 시스템.
A wireless base station (MBS) connected to the MEC server through a dedicated fiber link to provide services to mobile users;
Two or more small cells connected to the wireless base station by a wireless backhaul link or wired backhaul;
A centralized cloud center connected to the wireless base station (MBS) through an optical fiber backbone network;
A flight base station equipped with computing resources that can be deployed at different altitudes to enhance the computational function of heterogeneous networks supported by the MEC server and to ensure extended coverage and service; And
And a ground control station (GBS) connected to the flight base station through an FSO backhaul link to receive control signals, information collected from feedback, and statistical data,
The flight base station is a multi-access edge computing-based heterogeneous network system that is connected to any one small cell and a fronthaul link using a free space optical link (FSO).
제 1 항에 있어서,
상기 비행 기지국은,
상기 MEC 서버로 오프로드 하여 계산 작업을 수행하는 멀티 액세스 엣지 컴퓨팅 기반의 이기종 네트워크 시스템.
The method of claim 1,
The flight base station,
A heterogeneous network system based on multi-access edge computing that offloads to the MEC server to perform computation.
제 1 항에 있어서,
상기 무선 백홀 링크로 연결된 소형 셀에서의 모바일 유저의 계산은,
상기 무선 백홀 링크를 통해 상기 무선 기지국에 오프로드 된 다음, 광섬유 연결을 통해 상기 MEC 서버로 오프로드되어 수행되는 멀티 액세스 엣지 컴퓨팅 기반의 이기종 네트워크 시스템.
The method of claim 1,
The calculation of the mobile user in the small cell connected by the wireless backhaul link,
Multi-access edge computing-based heterogeneous network system performed by being offloaded to the wireless base station through the wireless backhaul link and then offloaded to the MEC server through an optical fiber connection.
제 1 항에 있어서,
상기 MEC 서버 사이의 셀간 간섭 현상은, FFR(Fractional Frequency Reuse), 모바일 유저의 전송전력 조정, 3D 빔 포밍(Beam froming), 상기 비행 기지국의 비행 궤적 조정 중 하나 이상을 이용하여 조절하는 멀티 액세스 엣지 컴퓨팅 기반의 이기종 네트워크 시스템.
The method of claim 1,
The inter-cell interference phenomenon between the MEC servers is a multi-access edge controlled by using one or more of FFR (Fractional Frequency Reuse), mobile user transmission power adjustment, 3D beam forming (Beam froming), and flight trajectory adjustment of the flying base station. Computing-based heterogeneous network system.
MEC(multi-access edge computing)와 HetNets(Heterogeneous Networks)의 통합에 필요한 다수의 무선 및 유선 백홀 솔루션을 지원하며,
상기 MEC를 제어하는 MEC 서버를 사용하는 비행 기지국(BS)을 더 구비하고,
상기 비행 기지국은, 상기 HetNet의 계산 기능을 강화하고 자연재해 및 비상 상황에 대한 적용범위와 서비스를 보장하기 위해 컴퓨팅 리소스 기능이 탑재된 UAV 형태이면서,
어느 하나의 소형 셀과는 FSO 프론트홀 링크(fronthaul link)로 연결되고, 지상 제어국(GBS)과는 제어 신호 및 피드백 수집된 정보, 통계 데이터를 수신하도록 FSO 백홀 링크(backhaul link)로 연결되는 것을 특징으로 하는 멀티 액세스 엣지 컴퓨팅 기반의 이기종 네트워크 시스템.
It supports multiple wireless and wired backhaul solutions required for the integration of MEC (multi-access edge computing) and HetNets (Heterogeneous Networks),
Further comprising a flight base station (BS) using a MEC server to control the MEC,
The flight base station is in the form of a UAV equipped with a computing resource function to enhance the calculation function of the HetNet and ensure coverage and services for natural disasters and emergency situations,
Any one small cell is connected to the FSO fronthaul link, and the ground control station (GBS) is connected to the FSO backhaul link to receive control signals, feedback collected information, and statistical data. Multi-access edge computing-based heterogeneous network system, characterized in that.
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