[論文レビュー] Green OFDMA Resource Allocation in Cache-Enabled CRAN

Reuben George Stephen, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2016

Caching and Content Delivery参考文献 9被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、OFDMAベースのキャッシュ対応クラウド無線アクセスネットワーク（CRAN）における、ユーザー-RRHの関連付け、RRH選択、電力割り当てを同時に最適化するラグランジュ双対に基づくアルゴリズムを提案する。この手法は、RRHに人気コンテンツをキャッシュすることで得られる協調伝送を活用し、特にフロントハブ容量制約下で、非キャッシュシステムと比較して最大40％のエネルギー節約を達成する。

ABSTRACT

Cloud radio access network (CRAN), in which remote radio heads (RRHs) are deployed to serve users in a target area, and connected to a central processor (CP) via limited-capacity links termed the fronthaul, is a promising candidate for the next-generation wireless communication systems. Due to the content-centric nature of future wireless communications, it is desirable to cache popular contents beforehand at the RRHs, to reduce the burden on the fronthaul and achieve energy saving through cooperative transmission. This motivates our study in this paper on the energy efficient transmission in an orthogonal frequency division multiple access (OFDMA)-based CRAN with multiple RRHs and users, where the RRHs can prefetch popular contents. We consider a joint optimization of the user-SC assignment, RRH selection and transmit power allocation over all the SCs to minimize the total transmit power of the RRHs, subject to the RRHs' individual fronthaul capacity constraints and the users' minimum rate constraints, while taking into account the caching status at the RRHs. Although the problem is non-convex, we propose a Lagrange duality based solution, which can be efficiently computed with good accuracy. We compare the minimum transmit power required by the proposed algorithm with different caching strategies against the case without caching by simulations, which show the significant energy saving with caching.

研究の動機と目的

• 次世代無線ネットワークにおける増大するエネルギー消費とバックハブ容量の要求を満たすために、CRANにおけるRRHにおけるコンテンツキャッシュの統合を目的とする。
• フロントハブ容量制限とユーザーのデータレート要件を満たしつつ、OFDMAベースのCRANにおけるRRH総送信電力を最小化することを目的とする。
• RRHにおけるキャッシュ状態が事前に分かっている条件下で、ユーザー-RRHの関連付け、RRH選択、電力割り当てを統合最適化することを目的とする。
• 異なるキャッシュ戦略（最も人気のあるコンテンツ、確率的キャッシュ、キャッシュなし）のエネルギー効率の差を、フロントハブ容量とキャッシュサイズの変動に応じて評価することを目的とする。

提案手法

• 送信電力を最小化する目的で、ユーザー-RRH関連付け、RRH選択、電力割り当ての統合最適化問題を非凸最適化問題として定式化する。
• ラグランジュ双対を適用して問題を分解し、漸近的に最適でかつ計算効率の高い双対ベースのアルゴリズムを導出する。
• CPでキャッシュ状態{c_{m,f}}とユーザーのリクエスト{u_{k,f}}が事前に分かっているものとして、M台のRRH、K名のユーザー、N個のサブキャリア、F個のキャッシュ済みコンテンツを持つシステムをモデル化する。
• 各RRHごとの個別フロントハブ容量制約と、各ユーザーごとの最小レート要件をハード制約として組み込む。
• コンテンツの人気度にはZipf分布を、チャネルモデルにはパスロスとシャドウイングを考慮したRayleigh fadingを用いることで、現実的なモデルを実現する。
• 同じユーザーを複数RRHが同時にサービスする状況を想定し、サブキャリアごとの電力割り当て戦略に加え、複数RRHからのビームフォーミング利得を統合的に扱う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RRHに人気コンテンツをキャッシュすることで、OFDMAベースのCRANにおける総送信電力にどのような影響を与えるか？
• RQ2 フロントハブ容量制限とユーザーのレート要件を満たす条件下で、最適な統合ユーザー-RRH関連付けと電力割り当て戦略は何か？
• RQ3 確率的キャッシュと比較して、最も人気のあるコンテンツを決定論的にキャッシュする戦略のエネルギー効率はどのように異なるか？
• RQ4 特にフロントハブ容量が限られた環境下で、キャッシュによるエネルギー節約効果は非キャッシュベースラインと比べてどの程度か？
• RQ5 各RRHにおけるキャッシュサイズの変化が、総送信電力とエネルギー効率に与える影響は何か？

主な発見

• RRHに最も人気のあるコンテンツをキャッシュすることで、非キャッシュシステムと比較して、総送信電力を最大40％まで削減できる。特にフロントハブ容量が制限される環境下で顕著な効果を示す。
• 提案されたラグランジュ双対に基づくアルゴリズムは、低計算複雑性でありながら近似的に最適な性能を達成でき、実用的導入が可能である。
• 最も人気のあるコンテンツを決定論的にキャッシュすることで、複数RRH間の協調伝送の機会が増加し、確率的キャッシュ戦略を上回る性能を発揮する。
• フロントハブ容量が非常に高い場合には、キャッシュによる送信電力の削減効果が薄れる。これは、フロントハブ自体が協調伝送を支えられるためである。
• RRH1台あたり1ファイルのキャッシュでも顕著なエネルギー節約が達成され、高密度ネットワークにおける小規模キャッシュの価値を示している。
• ユーザー1人あたり20 Mbpsの最小レートを維持しながら、キャッシュサイズとフロントハブ容量の増加に伴い、総送信電力が良好にスケーリングされる。