[논문 리뷰] Analysis of Content-Oriented Heterogeneous Networks with D2D and Cognitive Communications

S. Sinem Kafıloğlu, Gürkan Gür외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 02.

Caching and Content Delivery참고 문헌 18인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 장치 간(D2D) 오버레이를 통한 콘텐츠 인식 캐싱과 인지 무선 기반 위성-지상국 네트워크를 제안하며, 에너지 효율성(EE)과 고품질 전송률을 최적화하기 위해 연속 시간 마르코프 체인(CTMC)으로 모델링한다. 높은 요청 부하 하에서 인기 콘텐츠 기반 캐싱이 LRU 및 FIFO보다 고품질 전송률에서 뛰어난 성능을 보이며, D2D 오버레이링은 에너지 효율성과 시스템 용량을 모두 향상시킨다.

ABSTRACT

Content-oriented operation with D2D communications and spectrum sharing in the form of cognitive communications are expected to be enablers for cost-efficient nextgeneration wireless systems with bandwidth-hungry services. To this end, caching is an important building block of these systems. In this work, we model such a heterogeneous network and model a popularity-aware caching algorithm where we try to keep more popular contents in caches of system units with a higher probability compared to less popular contents. Moreover, for improving the usage of the channel capacity, overlaying for device-to-device (D2D) transmissions (unless these transmission interfere with each other) is enabled. We model our system with an analytical continuous time Markov chain (CTMC). We have a heterogeneous network architecture consisting of a LEO satellite, base station (BS) and a set of devices within the boundary of BS coverage that can get service from the satellite, from the BS or in D2D mode. Our devices operate in primary mode when they get service from the satellite but in secondary mode when they get service from the BS or some device in D2D mode over the terrestrial link. We evaluate our system for energy efficiency (EE) and goodput metrics. We looked how popularity-aware caching, integration of universal source concept and overlaying in D2D mode affect the network performance. Besides, we investigate how resource allocation (RA) and performance metrics are tangled.

연구 동기 및 목표

• 이국적 위성-지상국 네트워크를 D2D 및 인지 통신 기반으로 모델링하여 에너지 효율성과 고품질 전송률을 향상시킨다.
• 시스템 캐시에 자주 요청되는 콘텐츠를 우선 처리하는 인기 콘텐츠 기반 캐싱 알고리즘을 설계하고 평가한다.
• 보편적 소스 개념을 통합하여 지역 캐시 외부의 콘텐츠 가용성을 보장한다.
• 스펙트럼을 재사용하면서 간섭 없이 전송이 가능한 오버레이링 D2D 통신을 구현하고 평가하여 네트워크 용량을 증가시킨다.
• 자원 할당, 모드 선택, 에너지 효율성(EE) 및 고품질 전송률과 같은 성능 지표 간의 상충 관계를 분석한다.

제안 방법

• 사용자 모드(Satellite, BS, D2D)와 콘텐츠 가용성을 나타내는 상태를 갖는 연속 시간 마르코프 체인(CTMC)으로 네트워크를 모델링한다.
• PU(위성) 도착 및 퇴장, D2D 모드 운영, HU(하이브리드 사용자)의 콘텐츠 요청에 대한 상태 전이를 정의한다.
• 캐시 가용성, 채널 상태 및 가중치 기반 모드 선호도를 바탕으로 한 모드 선택 메커니즘을 도입한다.
• 자주 요청되는 콘텐츠를 캐싱할 확률을 높이는 인기 콘텐츠 기반 캐싱 알고리즘을 적용한다.
• D2D 모드에서 스펙트럼 오버레이를 활성화하여 간섭 없이 동시 전송을 가능하게 하여 스펙트럼 효율성을 향상시킨다.
• 로컬 캐시에 없는 콘텐츠를 제공하여 종단 간 콘텐츠 전달을 보장하는 보편적 소스를 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인기 콘텐츠 기반 캐싱은 LRU 및 FIFO와 같은 전통적 캐싱 정책에 비해 에너지 효율성과 고품질 전송률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 오버레이링 D2D 통신을 활성화할 경우 네트워크 용량과 에너지 효율성은 어느 정도 향상되는가?
• RQ3 다양한 요청 부하 하에서 보편적 소스 통합이 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 사용자 모드 선택 가중치(위성, BS, D2D)가 EE와 고품질 전송률에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 지상 링크에서 PU(위성) 도착률이 시스템 성능 지표에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 인기 콘텐츠 기반 캐싱은 특히 높은 사용자 요청률(λHU) 조건에서 전체 시스템 고품질 전송률에서 LRU 및 FIFO를 능가하며, 최대 46.04 Mbps의 고품질 전송률을 달성한다.
• D2D 오버레이링은 에너지 효율성과 고품질 전송률을 모두 향상시키며, D2D 모드 가중치(rdev)가 증가함에 따라 고품질 전송률이 최대 48.5 Mbps 증가한다.
• D2D 사용 증가로 인해 에너지 효율성(EPBHU)은 감소하며, rdev = 0.9일 때 0.16 J/패킷으로까지 낮아진다.
• 보편적 소스 통합은 고품질 전송률을 저하시키지 않으며, 네트워크 외부 콘텐츠 접근을 가능하게 하지만, 경하 부하 조건에서는 EE에 미미한 영향을 미친다.
• 지상 링크에서 높은 PU 도착률은 고품질 전송률을 감소시키지만 EE에 크게 영향을 주지 않아 간섭 제한 상황에서도 네트워크가 강건함을 시사한다.
• D2D 모드를 비활성화할 경우(즉, rdev = 0) EE와 고품질 전송률이 모두 악화되며, BS 모드 가중치를 0으로 설정하면서 D2D 가중치를 증가시키면 BS 캐시 활용도가 낮아져 고품질 전송률이 감소한다.