[論文レビュー] Network Utility Aware Traffic Loading Balancing in Backhaul-constrained Cache-enabled Small Cell Networks with Hybrid Power Supplies

Tao Han, Nirwan Ansari|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2014

Caching and Content Delivery参考文献 26被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、バックホール制約を受けるキャッシュ搭載小セルネットワークに適した、ネットワークユーリティ感知（NUA）トラフィック負荷バランス化方式を提案する。緑色電力の活用、バックホールと基地局（BS）の遅延、キャッシュヒットレートを統合最適化することで、NUA方式はネットワークユーリティコストを最小化するように動的にユーザ接続をバランス化し、特にバックホール制約下でも、ベースライン方式に比べて遅延を低減し、エネルギー効率を向上させる。

ABSTRACT

Explosive data traffic growth leads to a continuous surge in capacity demands across mobile networks. In order to provision high network capacity, small cell base stations (SCBSs) are widely deployed. Owing to the close proximity to mobile users, SCBSs can effectively enhance the network capacity and offloading traffic load from macro BSs (MBSs). However, the cost-effective backhaul may not be readily available for SCBSs, thus leading to backhaul constraints in small cell networks (SCNs). Enabling cache in BSs may mitigate the backhaul constraints in SCNs. Moreover, the dense deployment of SCBSs may incur excessive energy consumption. To alleviate brown power consumption, renewable energy will be explored to power BSs. In such a network, it is challenging to dynamically balance traffic load among BSs to optimize the network utilities. In this paper, we investigate the traffic load balancing in backhaul-constrained cache-enabled small cell networks powered by hybrid energy sources. We have proposed a network utility aware (NUA) traffic load balancing scheme that optimizes user association to strike a tradeoff between the green power utilization and the traffic delivery latency. On balancing the traffic load, the proposed NUA traffic load balancing scheme considers the green power utilization, the traffic delivery latency in both BSs and their backhaul, and the cache hit ratio. The NUA traffic load balancing scheme allows dynamically adjusting the tradeoff between the green power utilization and the traffic delivery latency. We have proved the convergence and the optimality of the proposed NUA traffic load balancing scheme. Through extensive simulations, we have compared performance of the NUA traffic load balancing scheme with other schemes and showed its advantages in backhaul-constrained cache-enabled small cell networks with hybrid power supplies.

研究の動機と目的

• 制限されたバックホール容量に制約を受ける小セルネットワークにおけるトラフィック負荷の不均衡問題に対処すること。
• ハイブリッド（緑色と茶色）電源で駆動されるキャッシュ搭載小セルネットワークにおけるユーザ接続最適化。
• 特にトラフィック配信遅延を考慮した、緑色電力活用とネットワーク性能のトレードオフをバランスすること。
• キャッシュヒット率とバックホールデータレートをユーザ接続意思決定に組み込むことで、効率性を向上させること。
• リアルタイムのエネルギー供給状況とネットワーク状態の変化に適応可能な動的でユーリティ感知の方式を設計すること。

提案手法

• NUA方式は、緑色電力活用、バックホール遅延、BS遅延、キャッシュヒット率を統合したネットワークユーリティ関数 ψ(η) を定式化する。
• リアルタイムのバックホールデータレートとエネルギー供給状況を考慮した動的で適応的なアルゴリズムにより、ψ(η) の最小化によってユーザ接続を最適化する。
• 茶色電力消費と遅延のトレードオフを制御するための調整可能なパrameter κ を用いた、性能指標の重み付き和を採用する。
• 緑色電力の可用性、バックホール容量、およびローカルキャッシュコンテンツに基づいて、動的にユーザ接続を調整する。
• 提示されたユーリティ関数のもとで、アルゴリズムの収束性と最適性が証明されている。
• シミュレーションにより、変動するバックホールレートとエネルギー状況下での vGALA および NUA-NC（キャッシュ無視型）方式とを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バックホール制約を受けるキャッシュ搭載小セルネットワークに、ハイブリッド電源を備えた環境で、どのようにしてトラフィック負荷を効果的にバランス化できるか？
• RQ2 このようなネットワークにおいて、緑色電力活用とトラフィック配信遅延の最適なトレードオフは何か？
• RQ3 キャッシュヒット率の認識が、バックホール負荷とユーザ接続意思決定にどのように影響するか？
• RQ4 バックホールデータレートの変動に応じた動的適応が、ネットワーク性能とエネルギー効率にどのように影響するか？
• RQ5 複数のネットワーク指標を統合した統一ユーリティ関数は、単一指標アプローチに比べ、全体のネットワークユーリティを向上させられるか？

主な発見

• NUA方式は、すべてのバックホールデータレートで最低のトラフィック配信遅延を達成し、高混雑状況では vGALA より最大 667% の性能向上を示した。
• キャッシュ認識を無視する NUA-NC バリエーションは、バックホール負荷を過大評価し、不必要にカバレッジ領域を縮小させ、性能を低下させた。
• NUA方式は、緑色電力が利用可能な際には、トラフィックを緑色駆動基地局に知的にオフロードすることで、茶色電力消費を削減した。
• バックホールデータレートが低い状況では、キャッシュ認識によりトラフィック配信遅延が顕著に低減され、キャッシュ統合の価値が示された。
• NUA方式は最適解に収束し、緑色電力とバックホール容量の動的変化に対しても安定した性能を維持した。
• ψ(η) の値が NUA方式で最小化されたことから、複数のネットワーク次元におけるユーリティトレードオフのバランスにおいて、本方式の優位性が裏付けられた。