[論文レビュー] Analysis of Content-Oriented Heterogeneous Networks with D2D and Cognitive Communications

S. Sinem Kafıloğlu, Gürkan Gür+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2018

Caching and Content Delivery参考文献 18被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、デバイスツーデバイス（D2D）オーバーレイを備えたコンテンツ指向のキャッシュおよび認知無線対応の衛星地上回線ネットワークを提案し、連続時間マーキov連鎖（CTMC）を用いてエネルギー効率（EE）とグッドプットの最適化をモデル化している。高要求負荷下で、人気度に応じたキャッシュがLRUやFIFOを上回るグッドプットを達成する一方、D2DオーバーレイはEEとシステム容量の両方を向上させることを示している。

ABSTRACT

Content-oriented operation with D2D communications and spectrum sharing in the form of cognitive communications are expected to be enablers for cost-efficient nextgeneration wireless systems with bandwidth-hungry services. To this end, caching is an important building block of these systems. In this work, we model such a heterogeneous network and model a popularity-aware caching algorithm where we try to keep more popular contents in caches of system units with a higher probability compared to less popular contents. Moreover, for improving the usage of the channel capacity, overlaying for device-to-device (D2D) transmissions (unless these transmission interfere with each other) is enabled. We model our system with an analytical continuous time Markov chain (CTMC). We have a heterogeneous network architecture consisting of a LEO satellite, base station (BS) and a set of devices within the boundary of BS coverage that can get service from the satellite, from the BS or in D2D mode. Our devices operate in primary mode when they get service from the satellite but in secondary mode when they get service from the BS or some device in D2D mode over the terrestrial link. We evaluate our system for energy efficiency (EE) and goodput metrics. We looked how popularity-aware caching, integration of universal source concept and overlaying in D2D mode affect the network performance. Besides, we investigate how resource allocation (RA) and performance metrics are tangled.

研究の動機と目的

• D2Dおよび認知通信を統合した異種衛星地上回線ネットワークを、エネルギー効率とグッドプットの向上を目的としてモデル化すること。
• システムキャッシュ内で頻繁に要求されるコンテンツを優先する人気度に応じたキャッシュアルゴリズムの設計および評価。
• ユニバーサルソースの統合により、ローカルキャッシュを超えたコンテンツの可用性を保証すること。
• 干渉を回避する周波数再利用を可能にするD2D通信のオーバーレイを実装し、ネットワーク容量を向上させること。
• リソース割り当て、モード選択、およびエネルギー効率（EE）やグッドプットなどの性能指標の間のトレードオフを分析すること。

提案手法

• ユーザーのモード（衛星、基地局（BS）、D2D）とコンテンツの可用性を表す状態を有する連続時間マーキov連鎖（CTMC）としてネットワークをモデル化。
• PU（衛星）の到着および離去、D2Dモードの動作、HU（ハイブリッドユーザー）のコンテンツ要求のための状態遷移を定義。
• キャッシュの可用性、チャネル状態、および重み付きモード選好に基づくモード選択メカニズムを導入。
• 頻繁に要求されるコンテンツのキャッシュ確率を高める人気度に応じたキャッシュアルゴリズムを適用。
• D2Dモードで周波数オーバーレイを実装し、干渉を回避する同時送信を可能にし、スペクトル効率を向上。
• ローカルキャッシュに存在しないコンテンツを提供するユニバーサルソースを統合し、エンドツーエンドのコンテンツ配信を保証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 人気度に応じたキャッシュは、LRU や FIFO といった従来のキャッシュポリシーと比較して、エネルギー効率（EE）およびグッドプットにどのように影響を与えるか？
• RQ2 オーバーレイD2D通信を有効化することで、ネットワーク容量およびエネルギー効率はどの程度向上するか？
• RQ3 ユニバーサルソースの統合は、さまざまな要求負荷下でのシステム性能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 ユーザーのモード選択重み（衛星、BS、D2D）がEEおよびグッドプットに与える影響は何か？
• RQ5 地上回線におけるPU（衛星）の到着率が、システム性能指標に与える影響は何か？

主な発見

• 人気度に応じたキャッシュは、特に高いユーザー要求レート（λHU）下で、全体的なシステムグッドプットにおいてLRUやFIFOを上回り、最大46.04 Mbpsのグッドプットを達成。
• D2Dオーバーレイはエネルギー効率（EE）とグッドプットの両方を向上させ、D2Dモードの重み（rdev）が増加するにつれてグッドプットが最大48.5 Mbps向上。
• D2D使用率が高いとエネルギー効率（EPBHU）が低下するが、これは送信電力が低く、通信時間が短くなるためで、rdev = 0.9の時点で0.16 J/パケットにまで低下。
• ユニバーサルソースの統合はグッドプットを劣化させず、ネットワーク外のコンテンツへのアクセスを可能にするが、軽負荷下ではEEにほとんど影響を与えない。
• 地上回線におけるPUの到着率が高いとグッドプットは低下するが、EEに顕著な影響はなく、干渉制限下でも高い耐性を示す。
• D2Dモードを無効化（rdev = 0）するとEEおよびグッドプットが劣化する一方、BSモードの重みをゼロにした状態でD2D重みを増加させると、BSキャッシュの未利用が原因でグッドプットが低下する。