[論文レビュー] Edge Caching in Delay-Constrained Virtualized Cellular Networks: Analysis and Market

Tachporn Sanguanpuak, Sudarshan Guruacharya+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2018

Caching and Content Delivery参考文献 23被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、確率的遅延制約下でのコスト最小化を目的として、仮想化5Gネットワークにおける基地局の高密度化とエッジキャッシュの共同最適化を提案する。確率的幾何学と幾何プログラミングを用いて、キャッシュヒット確率のタイトな近似を導出し、シャープレー値に基づく家賃配分を用いたスタックルバーグゲームを定式化することで、複数の移動体ネットワーク事業者（MNOs）間での公平なインfraストラクチャー料金設定を可能にする。

ABSTRACT

Caching of popular contents at cellular base stations, i.e., edge caching, in order to eliminate duplicate transmission through the backhaul can reduce the latency of data delivery in $5$G networks. However, since caching can only reduce the backhaul delay, techniques such as base station densification will also need to be used to reduce the fronthaul delay. In this paper, using results from stochastic geometry, we first model the effects of base station densification and cache size on the latency of the system. We then derive a tight approximation for the cache hit probability. To optimize the network cost due to the deployment of base station (BS) and cache storage, a minimization problem for the product of the BS intensity and cache size is formulated under probabilistic delay constraint, which is converted into a geometric program and solved analytically. The results are then used to analyze the economics of a cache-enabled virtualized cellular network where the network infrastructure, i.e., BSs and cache storage, owned by an infrastructure provider (InP) is shared among multiple mobile network operators (MNOs). For the pricing between the InP and the MNOs, we formulate a Stackelberg game with the InP as the leader and multiple MNOs as the followers. In this virtualized scenario, the common cost of renting the infrastructure is shared in a fair manner among the MNOs by using the Shapely value. An efficient algorithm is provided to divide the rent among MNOs.

研究の動機と目的

• 遅延制約付き仮想化セルラーネットワークにおける基地局密度とキャッシュサイズのトレードオフを分析すること。
• 確率的遅延制約下で基地局密度とキャッシュサイズの積を最小化し、コスト効率の良い展開を可能にすること。
• 仮想化ネットワーク環境下におけるインfraストラクチャー提供者（InP）と複数のMNOs間の経済的相互作用をモデル化すること。
• 共同キャッシュおよび基地局インfraストラクチャーを共有するMNOs間で、シャープレー値を用いた公平な家賃配分メカニズムを設計すること。
• ネットワークパラメータ（Zipf指数、帯域幅、消費電力）がシステム性能およびInPの利益に与える影響を評価すること。

提案手法

• 基地局の配置をホモジニアスなポアソン点過程（PPP）としてモデル化し、確率的幾何学を用いてダウンリンクの信号対インターフェレンス＋ノイズ比（SINR）カバレッジとスループットを分析する。
• キャッシュサイズとファイル人気度（Zipf分布）の観点から、キャッシュヒット確率のタイトな解析的近似を導出する。
• 基地局密度とキャッシュサイズのバランスをとるコスト最小化問題を、閉形式で解ける幾何プログラミングに変換する。
• InPがリーダーとして価格を設定し、MNOsが遅延制約下でインfraストラクチャー利用を最適化するスタックルバーグゲームを定式化する。
• 逐次的幾何プログラミングを用いてスタックルバーグ均衡を解き、最適価格設定およびリソース割り当てへの収束を保証する。
• シャープレー値を用いて、協力ゲームにおける各MNOの限界寄与度に基づき、総家賃を公平に分配する。計算に効率的なアルゴリズムを提示する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 基地局の高密度化とエッジキャッシュの組み合わせは、仮想化5Gネットワークにおける全体の遅延とコストにどのように影響を与えるか？
• RQ2 確率的遅延制約下で、基地局密度とキャッシュサイズの最適なトレードオフは何か？
• RQ3 複数のMNOs間でのインfraストラクチャー共有を経済的にモデル化する方法は何か？公平性と効率性を確保できるか？
• RQ4 ファイル人気度のZipf指数は、最適キャッシュサイズとシステムコストにどのような影響を与えるか？
• RQ5 消費電力パラメータ（回路電力と実際の電力コスト）は、提案モデルにおけるインfraストラクチャー提供者（InP）の利益にどのように影響を与えるか？

主な発見

• Zipf指数はMNOの最適戦略に顕著な影響を及ぼし、値が高くなるほどキャッシュ効率が向上し、必要なキャッシュサイズが低減する。
• 帯域幅が大きいMNO（例：MNO-3）は、より大きなキャッシュサイズを必要とし、総家賃への貢献度も高いため、シャープレー値による配分も大きくなる。
• 基地局密度 $\lambda^*$ は帯域幅 $W$ の変化に関わらず一定であるが、最適キャッシュサイズ $S^*$ は $W$ に応じて増加する。
• インフラストラクチャー提供者の利益は、Zipf指数 $\nu$ が高くなるほど増加し、回路電力 $p_c$ や実際の電力コスト $\theta$ が高くなると顕著に向上する。
• 総家賃 $\omega^*\lambda^*S^*$ は、個々のMNOのシャープレー値 $\psi_1 + \psi_2 + \psi_3$ に正確に一致しており、配分メカニズムの公平性が裏付けられている。
• 一般化調和数 $H_{S,\nu}$ の漸近的近似をHurwitzゼータ関数を用いて導出し、キャッシュヒット確率分析における解析的取り扱いの可能性を高めた。