[論文レビュー] Novel Inter-file Coded Placement and D2D Delivery for a Cache-aided Fog-RAN Architecture.

Kai Wan, Daniela Tuninetti+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2018

Caching and Content Delivery参考文献 37被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、マクロセルおよびスモールセル基 station を備えたキャッシュ支援型 Fog-RAN における、新規のファイル間符号化キャッシュ配置および D2D キャッシュ方式を提案する。この方式により、SBS 間通信を介した効率的なコンテンツ配信が可能となる。この方式は、最悪ケースの要求条件下でも定数要因の範囲内で順序最適な性能を達成し、非均一なキャッシュサイズおよびネットワークトポロジーに適応可能である。

ABSTRACT

This paper considers a novel cache-aided fog Radio Access Network (Fog-RAN) architecture including a Macro-cell Base Station (MBS) and several Small-cell Base Stations (SBSs), serving users without caches. Some users, not in the reach of SBSs, are directly served by the MBS. Other users, in the reach of SBSs, are offloaded and receive information only from the SBSs through high throughput links. The SBSs have their own local caches. The MBS broadcasts packets to the SBSs and the directly served users. Subsequently, the SBSs can communicate among each other such that each SBS can obtain enough information to decode demanded files by its connected users. For the proposed Fog-RAN we study the memory-loads tradeoff for the worst-case demands. The main contribution of this paper is the design of a novel inter-file coded cache placement and a novel D2D caching scheme with shared-caches to handle the inter-SBS communication phase. The proposed scheme is proved to be order optimal within a constant factor when each SBS is connected to the same number of users. As by-product, the proposed inter-file coded placement can also be used in coded caching systems with heterogeneous cache sizes, where some users have no cache. The proposed coded placement depends on the network topology only by the number of SBSs and the number of users directly served by the MBS. Then, by relaxing the requirement of topology independence, we improve the proposed scheme by designing a cache placement with a subfile division dependent on network structure, which is exactly optimal in some memory size regimes. As another by-product, we also improve the existing shared-link caching scheme with shared-caches by this novel topology-dependent subfile division and placement.

研究の動機と目的

• 非均一ユーザキャッシュおよび SBS 基点のローカルキャッシュを有するキャッシュ支援型 Fog-RAN におけるメモリ-負荷トレードオフを扱う。
• キャッシュあり・なしの両方のユーザをサポートする、トポロジーに依存しないファイル間符号化配置を設計する。
• 共有キャッシュを活用した新規な D2D キャッシュ方式により、SBS 間の効率的通信を実現し、配信負荷を低減する。
• トポロジー依存のサブファイル分割と配置を導入することで、既存の共有リンクキャッシュ方式を改善する。
• ネットワークトポロジーに基づく構造的サブファイル分割を用いて、特定のメモリ領域で最適性を達成する。

提案手法

• SBS の数と MBS がサービスを提供するユーザ数にのみ依存する、新規なファイル間符号化キャッシュ配置を導入する。詳細なトポロジーには依存しない。
• 共有キャッシュを活用した SBS 間の D2D キャッシュ方式を設計し、負荷低減を実現する協調配信を可能にする。
• ネットワーク構造に基づくサブファイル分割を活用し、符号化配置を精緻化し、高メモリ領域における性能を向上させる。
• 各 SBS が同じ数のユーザをサービスする場合、提案方式が定数要因の範囲内で順序最適であることを証明する。
• トポロジーに依存しない配置を活用することで、非均一キャッシュサイズを有する符号化キャッシュシステムにこの方式を適応する。
• 共有キャッシュを備えた既存の共有リンクキャッシュ方式を、ネットワーク構造に配慮したサブファイル分割を統合することで、より良い負荷低減を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非均一ユーザキャッシュを有する Fog-RAN において、ファイル間符号化キャッシュをどのように設計すれば、配信負荷を最小化できるか？
• RQ2 SBS がローカルキャッシュを有する一方で MBS が一部のユーザに直接サービスを提供するキャッシュ支援型 Fog-RAN における最適なメモリ-負荷トレードオフは何か？
• RQ3 共有キャッシュを備えた SBS 間の D2D キャッシュ方式は、最悪ケースの要求条件下でも順序最適な性能を達成できるか？
• RQ4 トポロジー依存のサブファイル分割は、トポロジーに依存しない配置と比較してどのように性能を向上させるか？
• RQ5 提案された配置は、非均一キャッシュサイズを有する標準的な符号化キャッシュシステムにどの程度再利用可能か？

主な発見

• 提案されたファイル間符号化配置は、最悪ケースのメモリ-負荷トレードオフにおいて、定数要因の範囲内で順序最適な性能を達成する。
• この方式は、キャッシュなしのユーザを含む、非均一キャッシュサイズを有する符号化キャッシュシステムにも適用可能である。
• トポロジーに依存しない配置は、SBS の数と MBS がサービスを提供するユーザ数にのみ依存するため、さまざまなトポロジーへの展開を簡素化する。
• トポロジー依存のサブファイル分割を統合することで、特定のメモリ領域において正確な最適性を達成する。
• SBS 間の共有キャッシュを備えた D2D キャッシュ方式は、協調送信により配信負荷を低減する。
• 提案手法は、ネットワーク構造に配慮したサブファイル分割を統合することで、既存の共有キャッシュ付き共有リンクキャッシュ方式を改善する。