[논문 리뷰] Green OFDMA Resource Allocation in Cache-Enabled CRAN

Reuben George Stephen, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 13.

Caching and Content Delivery참고 문헌 9인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 OFDMA 기반 캐시 기반 클라우드 무선 접근망(CRAN)에서 총 전송 전력을 최소화하기 위해 라그랑주 이중성 기반 알고리즘을 제안한다. 이 알고리즘은 사용자-RRH 연결, RRH 선택 및 전력 할당을 동시에 고려하며, RRH에 인기 콘텐츠를 캐싱함으로써 협업 전송 기능을 활용하여, 특히 프론트홀 연결 용량 제약 조건 하에서 비캐싱 시스템 대비 최대 40%의 에너지 절감을 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다음 세대 무선 네트워크에서 증가하는 에너지 소비와 백홀 용량 수요를 해결하기 위해, CRAN 내 RRH에 콘텐츠 캐싱을 통합한다.
• 사용자 데이터율 요구사항과 프론트홀 용량 제한을 만족시키면서 OFDMA 기반 CRAN에서 총 RRH 전송 전력을 최소화한다.
• RRH의 캐싱 상태가 사전에 알려져 있을 조건에서, 사용자-RRH 연결, RRH 선택 및 전력 할당을 종합적으로 최적화한다.
• 다양한 프론트홀 및 캐시 크기 조건에서, 가장 인기 있는 콘텐츠 캐싱, 확률적 캐싱, 캐싱 없음 전략의 에너지 효율성 성능을 평가한다.

제안 방법

• 총 전송 전력을 최소화하기 위해 사용자-RRH 연결, RRH 선택 및 전력 할당을 동시에 고려하는 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 라그랑주 이중성을 적용하여 문제를 분해하고, 점차적으로 최적에 수렴하며 계산 효율성이 높은 이중 기반 알고리즘을 유도한다.
• CP에서 캐싱 상태 {c_{m,f}}와 사용자 요청 {u_{k,f}}가 사전에 알려져 있다고 가정하며, M개의 RRH, K명의 사용자, N개의 서브대역, F개의 캐시된 콘텐츠로 구성된 시스템을 모델링한다.
• 각 RRH의 개별 프론트홀 용량 제약 조건과 각 사용자의 최소 데이터율 요구사항을 하드 제약 조건으로 통합한다.
• 콘텐츠 인기도에 대해 지프 분포를 사용하고, 채널 모델링에 현실적인 경로 손실, 샤드잉, 레이일리 fading을 적용한다.
• 동일한 사용자를 동시에 서비스하는 다수의 RRH가 공동으로 부스터링 기능을 발휘하는 방식으로, 서브대역 단위 전력 할당 전략을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RRH에 인기 콘텐츠를 캐싱함으로써 OFDMA 기반 CRAN에서 총 전송 전력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 프론트홀 용량 제약과 사용자 데이터율 요구사항 하에서 최적의 종합적 사용자-RRH 연결 및 전력 할당 전략은 무엇인가?
• RQ3 에너지 효율성 측면에서 결정적 캐싱(가장 인기 있는 콘텐츠 캐싱)과 확률적 캐싱 간의 성능 차이는 어떻게 되는가?
• RQ4 특히 제한된 프론트홀 용량 조건에서, 캐싱에 기인한 에너지 절감 효과는 비캐싱 기반 시스템 대비 얼마나 되는가?
• RQ5 각 RRH의 캐시 크기가 총 전송 전력과 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 프론트홀 용량이 제한된 조건에서, RRH에 가장 인기 있는 콘텐츠를 캐싱함으로써 총 전송 전력이 비캐싱 시스템 대비 최대 40% 감소한다.
• 제안된 라그랑주 이중성 기반 알고리즘이 낮은 계산 복잡도로 근사 최적 성능을 달성하여 실용적 구현이 가능하다.
• 가장 인기 있는 콘텐츠를 결정적으로 캐싱하는 전략이, RRH 간 협업 전송 기회가 더 많기 때문에 확률적 캐싱 전략보다 성능이 뛰어나다.
• 높은 프론트홀 용량 조건에서는 캐싱에 기인한 전력 절감 효과가 감소한다. 이는 프론트홀 자체가 캐싱 없이도 협업 전송을 지원할 수 있기 때문이다.
• RRH당 단 한 개의 파일만 캐싱해도 상당한 에너지 절감 효과를 얻을 수 있어, 밀도 높은 네트워크에서 소규모 캐싱의 가치를 입증한다.
• 시스템은 사용자당 최소 20 Mbps의 데이터율을 유지하면서도, 캐시 크기와 프론트홀 용량 증가에 따라 총 전송 전력이 유리하게 스케일링된다.