[논문 리뷰] Novel Inter-file Coded Placement and D2D Delivery for a Cache-aided Fog-RAN Architecture.

Kai Wan, Daniela Tuninetti외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 13.

Caching and Content Delivery참고 문헌 37인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 매크로 및 스몰셀 기지국을 갖춘 캐시 보조 퍼그-랜에서 파일 간 코딩된 캐시 배치 및 D2D 캐싱 기법을 제안하며, 파일 간 SBS 간 통신을 통해 효율적인 콘텐츠 전달을 가능하게 한다. 이 기법은 악성 요구 조건 하에서 상수 요인 내에서 순서 최적 성능을 달성하며, 이질적인 캐시 크기와 네트워크 구조에 적응 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이질적 사용자 캐시와 SBS 기반 지역 캐시를 갖춘 캐시 보조 퍼그-랜에서 메모리-로드 트레이드오프를 해결한다.
• 캐시가 있는 사용자와 없는 사용자를 모두 지원하는 구조에 독립적인 파일 간 코딩된 배치를 설계한다.
• 공유 캐시를 활용한 새로운 D2D 캐싱 기법을 통해 SBS 간 효율적인 통신을 가능하게 하여 전달 부하를 감소시킨다.
• 네트워크 구조 의존적 서브파일 분할 및 배치를 도입하여 기존의 공유링크 캐싱 기법을 향상시킨다.
• 네트워크 구조에 기반한 구조적 서브파일 분할을 통해 특정 메모리 영역에서 최적성을 달성한다.

제안 방법

• SBS 수와 MBS가 서비스하는 사용자 수에만 의존하는 새로운 파일 간 코딩된 캐시 배치를 도입한다. 자세한 네트워크 구조는 고려하지 않는다.
• 공유 캐시를 활용해 SBS 간 D2D 캐싱 기법을 설계하여 협업 전달을 통해 부하를 감소시킨다.
• 네트워크 구조에 기반한 서브파일 분할을 활용해 코딩된 배치를 정교화하고 고메모리 영역에서의 성능을 향상시킨다.
• 각 SBS가 동일한 수의 사용자를 서비스할 경우, 제안된 기법이 상수 요인 내에서 순서 최적임을 증명한다.
• 구조에 독립적인 배치를 활용해 이질적 캐시 크기를 갖는 코딩 캐싱 시스템에 이 기법을 적응시킨다.
• 공유 캐시를 갖춘 기존의 공유링크 캐싱 기법을 향상시키기 위해 네트워크 구조 인식 서브파일 분할을 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이질적 사용자 캐시를 갖춘 퍼그-랜에서 파일 간 코딩 캐싱을 어떻게 설계하여 전달 부하를 최소화할 수 있는가?
• RQ2 SBS가 지역 캐시를 갖추고 MBS가 일부 사용자를 직접 서비스하는 캐시 보조 퍼그-랜에서 최적의 메모리-로드 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ3 공유 캐시를 갖춘 SBS 간 D2D 캐싱 기법이 악성 요구 조건 하에서도 순서 최적 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ4 구조 의존적 서브파일 분할은 구조에 독립적인 배치에 비해 성능을 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 제안된 배치 기법은 이질적 캐시 크기를 갖는 표준 코딩 캐싱 시스템에 얼마나 재사용 가능한가?

주요 결과

• 제안된 파일 간 코딩된 배치 기법은 악성 요구 조건 하에서 상수 요인 내에서 순서 최적 성능을 달성한다.
• 이 기법은 사용자에게 캐시가 없더라도 포함된 이질적 캐시 크기를 갖는 코딩 캐싱 시스템에 적용 가능하다.
• 구조에 독립적인 배치는 SBS 수와 MBS가 서비스하는 사용자 수에만 의존하므로 다양한 네트워크 구조에 쉽게 구현할 수 있다.
• 구조 의존적 서브파일 분할을 통합함으로써 일부 메모리 영역에서 정확한 최적성을 달성한다.
• 공유 캐시를 갖춘 SBS 간 D2D 캐싱 기법은 협업 전송을 통해 전달 부하를 감소시킨다.
• 제안된 방법은 네트워크 구조 인식 서브파일 분할을 통합함으로써 기존의 공유 캐시를 갖춘 공유링크 캐싱 기법을 향상시킨다.