論文誌 · 2024

Joint user association, service caching, and task offloading in multi-tier communication/multi-tier edge computing heterogeneous networks

Bassant Tolba , Mohammed Abo-Zahhad , Maha Elsabrouty , Akira Uchiyama , Ahmed H. Abd El-Malek

Elsevier Ad Hoc Networks, Vol. 160, pp. 103500, July 2024.

DOI: 10.1016/j.adhoc.2024.103500

Abstract

Due to the wide range of intensive computational applications and ubiquitous connectivity of the Internet of Things (IoT) paradigms, it has become crucial to develop a new platform that can achieve low delay, high network throughput, and enhanced quality of service (QoS). This paper proposes a joint user association, service caching, and task offloading strategy to reduce delay and enhance users’ QoS in multi-tier communication and multi-tier edge computing heterogeneous networks (HetNets). The considered system model consists of multi-users with different tasks and service data sizes communicating in a heterogeneous network of one massive multiple-input multiple-output (M-MIMO) macro base station and some small base stations. The proposed work investigates user association, power allocation , optimum service data caching, and task offloading strategies at the computing network edges. Thereby, the objectives of this work are to propose an efficient framework to reduce the system delay, increase the network throughput, and meet the user requirements in multi-tier communication and multi-tier edge computing heterogeneous networks . The simulation results show that the proposed algorithm outperforms the state-of-the-art with a 49.48% decrease in system delay, 80% reduction in cost and hardware complexity in terms of the reduced number of installed antennas, and 48.58% enhancement in the network throughput.

解説

IoT 機器が身の回りに増え、そこで動かしたいアプリケーションの計算量も上がってきたことで、遅延が小さくスループットの高い基盤をどう作るかが問題になっています。端末側の計算能力には限りがあるので、重い処理はネットワークの近くにあるサーバに肩代わりさせることになりますが、この肩代わり(タスクオフロード)をどう割り振るかは、そもそもどの端末がどの基地局につながっているかによって変わってきます。

本研究が対象にしているのは、大規模 MIMO を備えたマクロ基地局と複数の小型基地局が混在し、エッジ計算資源も階層的に配置されたヘテロジニアスネットワークです。ここで、端末と基地局の紐付け、送信電力の割り当て、どのサービスデータをどのエッジにキャッシュしておくか、そしてどの計算をどこへオフロードするかを、それぞれ独立に決めるのではなく同時に最適化する方式を提案しています。

サービスキャッシングというのは、処理に必要なプログラムやデータをあらかじめエッジ側に置いておくことで、これが無いとオフロードしても結局データを取りに行く時間がかかってしまうため、オフロード先の決定と切り離せない関係にあります。

シミュレーションによる評価では、既存手法と比べてシステム遅延が 49.48% 減少し、設置アンテナ数で見たコストとハードウェアの複雑さが 80% 削減され、ネットワークスループットは 48.58% 向上しました。

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2026 IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops and other Affiliated Events (PerCom Workshops), SPT-IoT 2026, pp. 1366–1371

DOI 10.1109/PerComWorkshops68308.2026.11585469

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2026 IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops and other Affiliated Events (PerCom Workshops), PerconAI 2026, pp. 1203–1208

DOI 10.1109/PerComWorkshops68308.2026.11585419

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2026 IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops and other Affiliated Events (PerCom Workshops), URBSENSE 2026, pp. 1094–1099

DOI 10.1109/PerComWorkshops68308.2026.11585337

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2026 IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops and other Affiliated Events (PerCom Workshops), PerVehicle , pp. 230–235

DOI 10.1109/PerComWorkshops68308.2026.11585321

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2026 IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops and other Affiliated Events (PerCom Workshops), PerRad 2026, pp. 328–333

DOI 10.1109/PerComWorkshops68308.2026.11585327

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DOI 10.1145/3737611.3776620