Multi-user computation offloading in mobile edge computing

par Shuai Yu

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Rami Langar.

Le président du jury était Nadjib Ait Saadi.

Le jury était composé de Sidi-Mohammed Senouci, Stefano Paris, Stefano Secci.

Les rapporteurs étaient Nadjib Ait Saadi, Paolo Bellavista.

  • Titre traduit

    Déchargement de calcul multi-utilisateurs dans l'informatique de bord mobile


  • Résumé

    Mobile Edge Computing (MEC) est un modèle informatique émergent qui étend le cloud et ses services à la périphérie du réseau. Envisager l'exécution d'applications émergentes à forte intensité de ressources dans le réseau MEC, le déchargement de calcul est un paradigme éprouvé réussi pour activer des applications gourmandes en ressources sur les appareils mobiles. De plus, compte tenu de l'émergence de l'application collaborative mobile (MCA), les tâches déchargées peuvent être dupliquées lorsque plusieurs utilisateurs se trouvent à proximité. Cela nous motive à concevoir un schéma de déchargement de calcul collaboratif pour un réseau MEC multi-utilisateurs. Dans ce contexte, nous étudions séparément les schémas de déchargement par calcul collaboratif pour les scénarios de déchargement de MEC, de déchargement de périphérique à périphérique (D2D) et de déchargement hybride, respectivement. Dans le scénario de déchargement de MEC, nous supposons que plusieurs utilisateurs mobiles déchargent des tâches de calcul dupliquées sur les serveurs de périphérie du réseau et partagent les résultats de calcul entre eux. Notre objectif est de développer les stratégies optimales de déchargement collaboratif avec des améliorations de mise en cache afin de minimiser le délai d'exécution global du côté du terminal mobile. À cette fin, nous proposons un déchargement optimal avec un schéma d'amélioration de la mise en cache (OOCS) pour le scénario femto-cloud et le scénario d'informatique mobile, respectivement. Les résultats de la simulation montrent que comparé à six solutions alternatives dans la littérature, notre OOCS mono-utilisateur peut réduire les délais d'exécution jusqu'à 42,83% et 33,28% respectivement pour le femto-cloud mono-utilisateur et l'informatique mobile mono-utilisateur. D'un autre côté, notre système OOCS multi-utilisateur peut encore réduire le délai de 11,71% par rapport à l'OOCS mono-utilisateur grâce à la coopération des utilisateurs. Dans le scénario de déchargement D2D, nous supposons que lorsque des tâches de calcul en double sont traitées sur des utilisateurs mobiles spécifiques et que les résultats de calcul sont partagés via le canal de multidiffusion Device-to-Device (D2D). Notre objectif ici est de trouver une partition réseau optimale pour le déchargement multicast D2D, afin de minimiser la consommation d'énergie globale du côté du terminal mobile. À cette fin, nous proposons d'abord un cadre de déchargement de calcul basé sur la multidiffusion D2D où le problème est modélisé comme un problème d'optimisation combinatoire, puis résolu en utilisant les concepts de correspondance bipartite pondérée maximale et de jeu de coalition. Notez que notre proposition considère la contrainte de délai pour chaque utilisateur mobile ainsi que le niveau de la batterie pour garantir l'équité. Pour évaluer l'efficacité de notre proposition, nous simulons trois composants interactifs typiques. Les résultats de la simulation montrent que notre algorithme peut réduire considérablement la consommation d'énergie et garantir l'équité de la batterie entre plusieurs utilisateurs en même temps. Nous étendons ensuite le déchargement du D2D au déchargement hybride en tenant compte des relations sociales. Dans ce contexte, nous proposons un cadre d'exécution de tâches hybride multicast pour l'informatique mobile, où une foule d'appareils mobiles à la périphérie du réseau s'appuient sur la collaboration D2D assistée par réseau pour l'informatique distribuée sans fil et le partage des résultats. Le cadre est socialement conscient afin de construire des liens D2D efficaces. Un objectif clé de ce cadre est de mettre en place une politique d'attribution de tâches écoénergétique pour les utilisateurs mobiles. Pour ce faire, nous introduisons d'abord le modèle de système de déchargement de calcul hybride social-aware, puis nous formulons le problème d'affectation de tâches économe en énergie en prenant en compte les contraintes nécessaires [...]


  • Résumé

    Mobile Edge Computing (MEC) is an emerging computing model that extends the cloud and its services to the edge of the network. Consider the execution of emerging resource-intensive applications in MEC network, computation offloading is a proven successful paradigm for enabling resource-intensive applications on mobile devices. Moreover, in view of emerging mobile collaborative application (MCA), the offloaded tasks can be duplicated when multiple users are in the same proximity. This motivates us to design a collaborative computation offloading scheme for multi-user MEC network. In this context, we separately study the collaborative computation offloading schemes for the scenarios of MEC offloading, device-to-device (D2D) offloading and hybrid offloading, respectively. In the MEC offloading scenario, we assume that multiple mobile users offload duplicated computation tasks to the network edge servers, and share the computation results among them. Our goal is to develop the optimal fine-grained collaborative offloading strategies with caching enhancements to minimize the overall execution delay at the mobile terminal side. To this end, we propose an optimal offloading with caching-enhancement scheme (OOCS) for femto-cloud scenario and mobile edge computing scenario, respectively. Simulation results show that compared to six alternative solutions in literature, our single-user OOCS can reduce execution delay up to 42.83% and 33.28% for single-user femto-cloud and single-user mobile edge computing, respectively. On the other hand, our multi-user OOCS can further reduce 11.71% delay compared to single-user OOCS through users' cooperation. In the D2D offloading scenario, we assume that where duplicated computation tasks are processed on specific mobile users and computation results are shared through Device-to-Device (D2D) multicast channel. Our goal here is to find an optimal network partition for D2D multicast offloading, in order to minimize the overall energy consumption at the mobile terminal side. To this end, we first propose a D2D multicast-based computation offloading framework where the problem is modelled as a combinatorial optimization problem, and then solved using the concepts of from maximum weighted bipartite matching and coalitional game. Note that our proposal considers the delay constraint for each mobile user as well as the battery level to guarantee fairness. To gauge the effectiveness of our proposal, we simulate three typical interactive components. Simulation results show that our algorithm can significantly reduce the energy consumption, and guarantee the battery fairness among multiple users at the same time. We then extend the D2D offloading to hybrid offloading with social relationship consideration. In this context, we propose a hybrid multicast-based task execution framework for mobile edge computing, where a crowd of mobile devices at the network edge leverage network-assisted D2D collaboration for wireless distributed computing and outcome sharing. The framework is social-aware in order to build effective D2D links [...]


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