[論文レビュー] Air-Ground Integrated Vehicular Network Slicing with Content Pushing and Caching

Shan Zhang, Wei Quan+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2018

Opportunistic and Delay-Tolerant Networks参考文献 38被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、高高度プラットフォーム（HAPs）を用いたプロアクティブなコンテンツプッシュと、道路沿いユニット（RSUs）を用いたオンデマンドユニキャストサービスを実現する、エア・グラウンド統合型車両ネットワーク（AGIVEN）とネットワークスライシングを提案する。HAPのブロードキャストレート、車両キャッシュサイズ、RSUの送信レートを共同最適化することにより、地図および人気コンテンツサービスのQoSを維持しながら、RSUのトラフィックを40％削減するフレームワークを構築する。

ABSTRACT

In this paper, an Air-Ground Integrated VEhicular Network (AGIVEN) architecture is proposed, where the aerial High Altitude Platforms (HAPs) proactively push contents to vehicles through large-area broadcast while the ground roadside units (RSUs) provide high-rate unicast services on demand. To efficiently manage the multi-dimensional heterogeneous resources, a service-oriented network slicing approach is introduced, where the AGIVEN is virtually divided into multiple slices and each slice supports a specific application with guaranteed quality of service (QoS). Specifically, the fundamental problem of multi-resource provisioning in AGIVEN slicing is investigated, by taking into account typical vehicular applications of location-based map and popularity-based content services. For the location-based map service, the capability of HAP-vehicle proactive pushing is derived with respect to the HAP broadcast rate and vehicle cache size, wherein a saddle point exists indicating the optimal communication-cache resource trading. For the popular contents of common interests, the average on-board content hit ratio is obtained, with HAPs pushing newly generated contents to keep on-board cache fresh. Then, the minimal RSU transmission rate is derived to meet the average delay requirements of each slice. The obtained analytical results reveal the service-dependent resource provisioning and trading relationships among RSU transmission rate, HAP broadcast rate, and vehicle cache size, which provides guidelines for multi-resource network slicing in practice. Simulation results demonstrate that the proposed AGIVEN network slicing approach matches the multi-resources across slices, whereby the RSU transmission rate can be saved by 40% while maintaining the same QoS.

研究の動機と目的

• エア・グラウンド統合型車両ネットワーク（AGIVEN）において、多様なQoS要件を満たす多次元的かつ多様なリソースを管理する課題に対処すること。
• 仮想化された、サービス固有のスライスを備えた効率的なネットワークスライシングを実現し、HDマップ配信や人気コンテンツ配布といった異なる車両サービスをサポートすること。
• 最適なリソース調停のための、HAPブロードキャストレート、車両キャッシュサイズ、RSU送信レートのトレードオフを定量化すること。
• プロアクティブキャッシュのシナリオにおけるコンテンツヒットレートと遅延制約の解析的モデルを導出することで、システム設計を支援すること。

提案手法

• HAPを用いた広域ブロードキャストと、RSUを用いた高レートユニキャストを統合するAGIVENアーキテクチャを提案し、プロアクティブなコンテンツ配信とオンボードキャッシュを可能にする。
• サービス指向のネットワークスライシングフレームワークを導入し、物理ネットワークを3つのスライスに分割する：MaNa（HDマップ）、FoCI（人気コンテンツ）、ODT（オンデマンドトラフィック）。
• MaNaスライスの達成率をHAPブロードキャストレートと車両キャッシュサイズの関数として導出し、最適リソーストレードオフを示す鞍点を特定する。
• 人気度ベースのキャッシュモデルを用いて、FoCIサービスのオンボードコンテンツヒットレートをモデル化し、HAPからのプッシュがキャッシュの新鮮さを向上させることを示す。
• 車両移動性とリクエストダイナミクスの確率的モデルから導出された、平均遅延制約を満たすために必要な最小RSU送信レートの閉形式表現を構築する。
• ガンマ分布と不完全ガンマ関数を用いて、キャッシュされたマップセグメントの期待数をモデル化し、キャッシュ性能の解析的評価を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HAPブロードキャストと車両キャッシュをどのように共同最適化すれば、車両ネットワークにおけるRSU負荷を最小限に抑えつつ、低遅延マップ配信を実現できるか？
• RQ2 最大マップサービス達成率を達成するための、HAPブロードキャストレートと車両キャッシュサイズの最適トレードオフは何か？
• RQ3 HAPからのプロアクティブなコンテンツプッシュは、人気コンテンツのオンボードヒットレートにどのように影響するか？また、新鮮さを維持するための必要なHAPブロードキャストレートは何か？
• RQ4 移動性とコンテンツ人気度の制約下で、各ネットワークスライスの平均遅延要件を満たすために必要な最小RSU送信レートは何か？

主な発見

• MaNaスライスの達成率はHAPブロードキャストレートの増加に伴い上昇するが、その上昇率は最初は上昇し、その後減少するため、最適なHAPブロードキャストレートを示す鞍点が存在することが判明した。
• 平均遅延制約を満たすために必要な最小RSU送信レートは閉形式で導出され、車両移動性とリクエストパターンに非線形に依存することが示された。
• シミュレーション結果により、プロアクティブなHAPコンテンツプッシュとエッジキャッシュを適用した場合、同じQoSを維持しながらRSU送信レートが40％削減されることを確認した。
• 人気コンテンツのヒットレートはコンテンツ人気度の偏り（ρ）の増加に伴い減少し、ρ < 1およびρ > 1の両ケースにおいて、この単調減少が解析的に証明された。
• 最適なHAPブロードキャストレートは、車両キャッシュサイズと逆比例する線形関係を示しており、キャッシュサイズが大きいほど高レートのブロードキャストの必要性が低下することが示された。
• キャッシュされたマップセグメントの期待数を表す解析的モデルは、HAPブロードキャストレートに関して厳密に増加することが確認され、プロアクティブプッシュの有効性が裏付けられた。