[論文レビュー] Cloud-Edge Non-Orthogonal Transmission for Fog Networks with Delayed CSI at the Cloud

Jingjing Zhang, Osvaldo Simeone|arXiv (Cornell University)|May 25, 2018

Caching and Content Delivery参考文献 8被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、フロントハブ制約付きエッジキャッシュを備えたファグラジオアクセスネットワーク（F-RANs）における遅延したチャネル状態情報（CSI）を伴うクラウドで、クラウド・エッジ非直交送信方式を提案する。スーパーポジション・コーディングとゼロ・フォーリング・ビームフォーミングを用いて、クラウド・プレコーディング信号とエッジ・プレコーディング済みコンテンツを重畳することで、遅延が不完全なCSI下で直交方式よりも顕著に改善される、正規化送信時間（NDT）$ \delta = \min\left(\frac{1-\mu}{r} + 1, \frac{1-\mu}{\alpha} + \frac{1}{r}\right)$を達成する。

ABSTRACT

In a Fog Radio Access Network (F-RAN), the cloud processor (CP) collects channel state information (CSI) from the edge nodes (ENs) over fronthaul links. As a result, the CSI at the cloud is generally affected by an error due to outdating. In this work, the problem of content delivery based on fronthaul transmission and edge caching is studied from an information-theoretic perspective in the high signal-to-noise ratio (SNR) regime. For the set-up under study, under the assumption of perfect CSI, prior work has shown the (approximate or exact) optimality of a scheme in which the ENs transmit information received from the cloud and cached contents over orthogonal resources. In this work, it is demonstrated that a non-orthogonal transmission scheme is able to substantially improve the latency performance in the presence of imperfect CSI at the cloud.

研究の動機と目的

• フロントハブ制約付きエッジキャッシュを有するF-RANsにおいて、クラウドに遅延したCSIが存在する場合のレイテンシ劣化を是正すること。
• クラウドでの不完全なCSI下でも、従来の直交方式を上回る非直交送信が可能かどうかを調査すること。
• クラウド・エッジ送信戦略がフロントハブとエッジキャッシュを統合する場合の、高SNR領域における正規化送信時間（NDT）を特徴づけること。
• クラウドでのCSIが遅延している状況において、非直交送信がレイテンシの観点から最適であることを確立すること。

提案手法

• クラウドはユーザー向けコンテンツをプレコーディングし、CSI誤差スケーリング$ \mathbb{E}[|h_k^i - \hat{h}_k^i|^2] \doteq P^{-\alpha}$に基づく電力割り当てで、フロントハブリンクを通じて送信する。
• エッジノードはサブファイルをキャッシュし、他のユーザーからのインタフェンスを無効化するためのゼロ・フォーリング（ZF）ビームフォーミングを用いて協調的にプレコーディングする。エッジでは完璧なCSIが利用可能である。
• 各エッジノードの送信信号は、クラウド・プレコーディング信号とエッジ・プレコーディング信号の重畳であり、非直交多重アクセスを可能にする。
• ユーザーの復号は2段階で行われる：まず、干渉をノイズとして扱いエッジ・プレコーディング信号を復号し、その後、干渉をキャンセルした上でクラウド・プレコーディング信号を復号する。
• 時間分割構造が用いられ、エッジ信号とクラウド信号が順次送信され、信号強度とレイテンシ制約に従って復号順序が決定される。
• 正規化送信時間（NDT）は2つの領域で導出される：エッジ復号が支配的となる場合（$ \mu \geq 1 - \alpha$）と、クラウド復号が支配的となる場合（$ \mu \leq 1 - \alpha$）である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クラウドに遅延したCSIが存在するF-RANsにおいて、非直交送信が直交方式を上回る性能を発揮できるか？
• RQ2 不完全なCSI下で、送信レイテンシの観点からフロントハブとエッジ送信の最適なトレードオフは何か？
• RQ3 CSI誤差のスケーリング（$P^{-\alpha}$）が、高SNR領域における実現可能なダイバーシティおよびマルチプレクシングゲインに与える影響は何か？
• RQ4 エッジベースのZFビームフォーミングとクラウドのスーパーポジション・コーディングを組み合わせた場合、正規化送信時間（NDT）を最小化する条件は何か？
• RQ5 レイテンシがクラウド送信に支配される領域は存在するか？ また、エッジ送信に支配される領域はいつ発生するか？

主な発見

• 提案された非直交送信方式は、$ \mu \geq 1 - \alpha$ の場合に正規化送信時間（NDT）$ \delta = \frac{1-\mu}{r} + 1$ を達成し、エッジ送信がレイテンシを支配していることを示している。
• 一方、$ \mu \leq 1 - \alpha$ の場合、NDTは$ \delta = \frac{1-\mu}{\alpha} + \frac{1}{r}$ となり、不完全なCSIのためクラウド送信レイテンシが支配的であることが示された。
• CSI誤差スケーリングから得られるダイバーシティゲイン$ \alpha$ は、スーパーポジション・コーディングを介して干渉を軽減するために活用されている。
• エッジ・プレコーディング信号は、干渉とノイズを1つの項として扱い、パワー$ \mathbb{E}[|z_k|^2] \doteq 1$ で、レート$(1 - \alpha)\log P$ で復号される。
• エッジ信号の復号後、クラウド・プレコーディング信号は、干渉＋ノイズ項$ \mathbb{E}[|\tilde{\boldsymbol{h}}_k^T \sum \boldsymbol{v}_{d_{k'}} s_{d_{k'}}|^2] \doteq P^\alpha$ を伴い、レート$\alpha \log P$ で復号される。
• 非直交多重アクセスとZFビームフォーミングの効率的利用により、特に高SNR領域において、直交方式よりもNDTが最小化されている。