University of Oulu

Spatial dependency in edge-native artificial intelligence

Saved in:
Author: Lovén, Lauri1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering, Computer Science and Engineering, Ubiquitous Computing (UBICOMP)
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 1 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526230870
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2021
Publish Date: 2021-11-05
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented, with the assent of the University of Oulu, for public defence in L3, Linnanmaa, on 12 November 2021 at noon
Tutor: Docent Susanna Pirttikangas
Professor Jukka Riekki
Professor Mikko Sillanpää
Reviewer: Professor James Gross
Associate Professor Nicholas Lane
Opponent: Professor Schahram Dustrar
Description:

Abstract

Edge computing augments cloud computing. While cloud computing is based on far away computing centres, edge computing acknowledges the computing resources in the continuum between local devices and the cloud. The computing resources in edge computing are often heterogeneous, with varying capacity, intermittent connectivity, and opportunistic availability. In contrast, modern artificial intelligence and especially machine learning methods are often deployed in the cloud, and assume the computing resources are homogeneous, abundant, centralized, easily scalable, and always available.

This thesis studies edge AI, a nascent field of research combining edge computing and artificial intelligence. A particular focus in the thesis is on spatial dependencies, which quantify the similarity of observations in the spatial dimension. Spatial dependencies are prominent in edge AI due to the local nature of edge service users, the computational resources, as well as many of the observed data-generating processes.

The thesis asks three research questions. The first one looks for a method to explicitly consider spatial dependencies in edge AI, while the second and third ones apply the method for edge server placement and environmental sensing.

As result, the thesis first proposes a novel spatial clustering method, named PACK, which partitions a set of spatial data points according to configurable attributes and constraints. PACK then provides a basis for edge server placement and workload allocation, where a large-scale edge deployment can be optimized such that user quality of experience and deployment quality of service are maximised. Furthermore, PACK serves a crucial function in environmental sensing with a massive fleet of mobile sensors, providing grounds for distributing computations and data for a novel, edge-native method for interpolation. In both edge server placement and environmental sensing, the proposed methods outperform state-of-the-art.

Finally, the thesis looks at the limitations of the proposed methods, their significance, and maps potential avenues for future research.

see all

Tiivistelmä

Reunalaskenta täydentää pilvilaskentaa. Siinä missä pilvilaskenta perustuu kaukaisiin datakeskuksiin, ottaa reunalaskenta huomioon myös laskentaresurssit matkalla paikallisista laitteista pilveen. Reunalaskennan resurssit ovat ominaisuuksiltaan kirjavia: niiden kapasiteetit saattavat olla hyvin erilaisia, niiden yhteydet saattavat katkeilla ja ne saattavat olla saatavilla vain toisinaan. Toisaalta nykyaikaisia tekoäly- ja koneoppimismenetelmiä käytetään tavallisesti pilvipalveluissa, ja ne olettavat, että laskentaresurssit ovat homogeenisia ja ne ovat saatavilla keskitetysti, skaalautuvasti ja jatkuvasti.

Tämä väitöstyö tutkii reunalaskennan tekoälyä. Reunalaskennan tekoäly on uusi tieteenala, jossa tutkitaan, kuinka reunalaskenta sekä tekoäly- ja koneoppimismenetelmät voidaan yhdistää. Erityisesti väitös pureutuu paikkariippuvuuksiin, jotka kuvaavat havaintojen paikallisia samankaltaisuuksia. Paikkariippuvuudet ovat reunalaskennan tekoälyssä tärkeitä, sillä reunapalveluiden käyttäjät, niiden laskentaresurssit, ja myös dataa tuottavat prosessit ovat usein luonteeltaan paikallisia.

Väitös kysyy kolme tutkimuskysymystä. Ensimmäinen hakee menetelmää, jolla paikkariippuvuudet voisi valjastaa käyttöön reunalaskennan tekoälyssä. Toinen ja kolmas tutkimuskysymys ovat luonteeltaan soveltavia, ja etsivät menetelmää reunalaskennan palvelimien sijoitteluun ja ympäristön anturointiin.

Väitöksen tuloksena on, ensinnä, uusi spatiaalinen klusterointimenetelmä, nimeltään PACK, jonka avulla paikkapisteiden joukko voidaan jakaa osiin erilaisten muokattavien ominaisuuksien ja rajoitteiden mukaisesti. Toiseksi, PACK toimii pohjaratkaisuna reunalaskennan palvelimien sijoittelulle ja kuormanjaolle, kun kaupungin laajuinen reunalaskennan asennus halutaan optimoida siten, että käyttäjäkokemus ja palveluntaso saadaan parhaaksi mahdolliseksi. Kolmanneksi, PACK on jälleen kriittisessä roolissa reunatekoälysovelluksessa, jossa massiivinen määrä antureita mittaa ympäristöään, ja antureiden tuottama data sekä datan interpoloinnin aiheuttama laskentakuorma hajautetaan reunalaskennan avulla. Sekä sijoittelu- että anturointisovellus tuottavat parempia tuloksia kuin nykyiset ratkaisut.

Lopuksi väitös avaa esiteltyjen menetelmien rajoituksia sekä merkitystä laajemmassa mittakaavassa, ja kartoittaa mahdollisia tulevaisuuden tutkimussuuntia aiheesta.

see all

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

  1. Lähderanta, T., Leppänen, T., Ruha, L., Lovén, L., Harjula, E., Ylianttila, M., Riekki, J., & Sillanpää, M. J. (2021). Edge computing server placement with capacitated location allocation. Journal of Parallel and Distributed Computing, 153, 130–149. https://doi.org/10.1016/j.jpdc.2021.03.007

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  2. Loven, L., Lahderanta, T., Ruha, L., Leppanen, T., Peltonen, E., Riekki, J., & Sillanpaa, M. J. (2020). Scaling up an edge server deployment. 2020 IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops (PerCom Workshops), 1–7. https://doi.org/10.1109/PerComWorkshops48775.2020.9156204

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  3. Ruha, L., Lähderanta, T., Lovén, L., Leppänen, T., Riekki, J., & Sillanpää, M. J. (2021). Ca-pacitated spatial clustering with multiple constraints and attributes. Manuscript submitted for publication.

  4. Loven, L., Peltonen, E., Harjula, E., & Pirttikangas, S. (2021). Weathering the reallocation storm: Large-scale analysis of edge server workload. 2021 Joint European Conference on Networks and Communications & 6G Summit (EuCNC/6G Summit), 317–322. https://doi.org/10.1109/EuCNC/6GSummit51104.2021.9482593

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  5. Lovén, L., Karsisto, V., Järvinen, H., Sillanpää, M. J., Leppänen, T., Peltonen, E., Pirttikangas, S., & Riekki, J. (2019). Mobile road weather sensor calibration by sensor fusion and linear mixed models. PLOS ONE, 14(2), e0211702. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0211702/journal.pone.0211702

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  6. Lovén, L., Lähderanta, T., Ruha, L., Peltonen, E., Launonen, I., Sillanpää, M. J., Riekki, J., & Pirttikangas, S. (2021). Edison: An edge-native method and architecture for distributed interpolation. Sensors, 21(7), 2279. https://doi.org/10.3390/s21072279

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-3087-0
ISBN Print: 978-952-62-3086-3
Issue: 805
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 113 Computer and information sciences
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2021. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.