[論文レビュー] On Combination Networks with Cache-aided Relays and Users

Kai Wan, Daniela Tuninetti+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2018

Caching and Content Delivery参考文献 12被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、キャッシュを備えたリレーやユーザーを備えたコンビネーションネットワークに対して、リレーキャッシュを活用してサーバーからリレーリンクへの伝送負荷を低減する、新しい符号化キャッシュ方式を提案する。リレーキャッシュを活用し、リレーとユーザーにおける配置を共同で最適化し、MDS符号化マルチキャスト配信を用いることで、先行研究と比較してサーバーからリレーへの最大リンク負荷を低減し、リレーキャッシュから生じる新たな符号化キャッシュ利得を示している。

ABSTRACT

Caching is an efficient way to reduce peak hour network traffic congestion by storing some contents at the user's cache without knowledge of later demands. Coded caching strategy was originally proposed by Maddah-Ali and Niesen to give an additional coded caching gain compared the conventional uncoded scheme. Under practical consideration, the caching model was recently considered in relay network, in particular the combination network, where the central server communicates with $K=\binom{H}{r}$ users (each is with a cache of $M$ files) through $H$ immediate relays, and each user is connected to a different $r-$subsets of relays. Several inner bounds and outer bounds were proposed for combination networks with end-user-caches. This paper extends the recent work by the authors on centralized combination networks with end-user caches to a more general setting, where both relays and users have caches. In contrast to the existing schemes in which the packets transmitted from the server are independent of the cached contents of relays, we propose a novel caching scheme by creating an additional coded caching gain to the transmitted load from the server with the help of the cached contents in relays. We also show that the proposed scheme outperforms the state-of-the-art approaches.

研究の動機と目的

• コンビネーションネットワークにおけるリレーおよびユーザーのキャッシュを備えた状況で、最大リンク負荷を最小化する問題に対処すること。
• 端末ユーザーのみにキャッシュを備えた集中型コンビネーションネットワークに関する先行研究を、キャッシュを備えたリレーを含むより一般的なモデルへと拡張すること。
• リレーとユーザーの両方のキャッシュから得られる符号化マルチキャスト利得を同時に活用するキャッシュ方式を設計すること。
• ユーザーにのみキャッシュを備える既存の方式と比較して、サーバーからリレーへの伝送負荷を低減しつつ、全体の配信効率を維持または向上させること。

提案手法

• 本方式は、配置段階と配信段階の2段階アプローチを採用し、リレーとユーザーにおける共同符号化キャッシュを実施する。
• ファイルはユーザーとリレーの接続パターンに応じてサブファイルに分割され、MDS符号化が適用されて符号化マルチキャストメッセージが生成される。
• 配信段階では、リレーが符号化パケットをユーザーに転送し、各ユーザーは自身のキャッシュと受信した符号化信号を用いて要求されたファイルを復号する。
• 本方式は、各リレーに接続されたユーザーの集合と要求パターンに依存する、新しいMDS符号化マルチキャストメッセージ構成を導入する。
• サーバーからリレーへの伝送負荷は、ユーザー集合、リレー集合、およびファイルのサブパケット化に関する組み合わせ的表現を用いて導出される。
• 本方式は、文献で知られている最良の方式と同等以下のサーバーからリレーへの負荷を達成するが、リレーからユーザーへの負荷が増加するというトレードオフを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リレーにキャッシュを設けることで、ユーザーのキャッシュのみに依存する場合と比較して、コンビネーションネットワークにおいて追加の符号化キャッシュ利得を達成できるか？
• RQ2 リレーとユーザーの両方がキャッシュを備える状況において、配置段階と配信段階をどのように共同最適化できるか？
• RQ3 キャッシュを備えたコンビネーションネットワークにおいて、サーバーからリレーとリレーからユーザーへのリンク負荷の実現可能なトレードオフは何か？
• RQ4 本方式は、ユーザーにのみキャッシュを設ける既存の方式と比較して、サーバーからリレーへの伝送負荷を低減できるか？

主な発見

• 提案方式は、端末ユーザーにキャッシュを備えたコンビネーションネットワークにおける文献で知られている最良の方式と同等以下のサーバーからリレーへの伝送負荷を達成する。
• 本方式は、リレーにキャッシュされたコンテンツを活用することで、新たな符号化キャッシュ利得をもたらし、高レートのサーバー伝送を低減する。
• リレーキャッシュの増加に伴い、リレーからユーザーへの伝送負荷は非符号化方式と比較して増加するが、これはサーバーからリレーへの負荷の低減によって相殺される。
• リレーのキャッシュサイズが $\mathsf{M}^{\textrm{relay}} = \mathsf{N}/\mathsf{r}$ で、ユーザーのキャッシュサイズが $\mathsf{M}^{\textrm{user}} = \mathsf{N}t_1/\mathsf{K}_1$ の場合、$t_1 = 0$ または $t_1 = \mathsf{K}_1$ のとき $\mathsf{R}^{\mathsf{s}\to\mathsf{r}} = 0$ となり、リレーまたはユーザーに完全キャッシュが実現される。
• 数値比較により、本方式は[12]の方式と比較して、サーバーからリレーへの最大リンク負荷を低減していることが示されたが、リレーからユーザーへの負荷が高くなるという代償がある。