[논문 리뷰] On Combination Networks with Cache-aided Relays and Users

Kai Wan, Daniela Tuninetti외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 16.

Caching and Content Delivery참고 문헌 12인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 캐시 기반 릴레이와 사용자를 갖춘 조합 네트워크를 위한 새로운 코딩 캐싱 기법을 제안하며, 릴레이 캐시를 활용하여 서버에서 릴레이로의 전송 부하를 감소시킨다. 릴레이와 사용자에서의 공동 캐시 배치 및 MDS 코딩된 멀티캐스트 전달을 통해 기존 기법에 비해 서버에서 릴레이로의 최대 링크 부하를 낮추며, 릴레이 캐시로부터 새로운 코딩 캐싱 성능 향상을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 서버-릴레이 링크의 최대 부하를 최소화하는 문제를 해결하기 위해.
• 기존의 끝 사용자 캐싱만을 고려한 중심집중형 조합 네트워크 연구를 확장하여, 캐시 기반 릴레이를 포함하는 더 일반적인 모델로 확장하기 위해.
• 릴레이 캐시와 사용자 캐시 양측에서 동시에 코딩된 멀티캐스트 성능 향상을 활용하는 캐싱 기법을 설계하기 위해.
• 기존 기법보다 서버-릴레이 전송 부하를 줄이면서도 전체 전달 효율성을 유지하거나 향상시키기 위해.

제안 방법

• 두 단계 기반 접근 방식인 캐시 배치 및 전달 단계를 사용하며, 릴레이와 사용자에서의 공동 코딩 캐싱을 구현한다.
• 사용자 및 릴레이의 연결 패턴에 따라 파일을 서브파일로 분할하고, MDS 코딩을 적용하여 코딩된 멀티캐스트 메시지를 생성한다.
• 전달 단계에서는 릴레이가 사용자에게 코딩된 패킷을 전달하며, 각 사용자는 자신의 캐시와 수신한 코딩 신호를 이용해 요청한 파일을 복원한다.
• 각 릴레이에 연결된 사용자 집합과 요구 패턴에 따라 의존하는 새로운 MDS 코딩된 멀티캐스트 메시지 구성 방식을 도입한다.
• 사용자 집합, 릴레이 집합, 파일 서브패킷화 수를 포함하는 조합 수식을 사용하여 서버에서 릴레이로의 전송 부하를 유도한다.
• 문헌에서 알려진 최고의 기법보다 서버-릴레이 부하가 크지 않게 달성되며, 릴레이-사용자 부하 증가를 감수함으로써 상쇄된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 릴레이 캐시를 통해 사용자 캐시만으로는 달성할 수 없는 추가적인 코딩 캐싱 성능 향상이 조합 네트워크에서 가능할 수 있는가?
• RQ2 릴레이와 사용자 모두가 캐시를 갖는 상황에서 캐시 배치 및 전달 단계를 공동 최적화할 수 있는가?
• RQ3 캐시 기반 조합 네트워크에서 서버-릴레이 링크와 릴레이-사용자 링크 간의 부하 트레이드오프는 어떤가?
• RQ4 제안된 기법이 사용자에만 캐싱을 하는 기존 기법보다 서버-릴레이 전송 부하를 줄일 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 기법은 끝 사용자 캐싱만을 고려한 문헌에서 알려진 최고의 기법과 비교해도 서버-릴레이 전송 부하가 크지 않게 달성된다.
• 릴레이에 캐시된 콘텐츠를 활용함으로써 새로운 코딩 캐싱 성능 향상을 도입하며, 고속 서버 전송의 필요성을 줄인다.
• 비코딩 기법 대비 릴레이-사용자 전송 부하가 증가하지만, 서버-릴레이 부하 감소로 상쇄된다.
• 릴레이 캐시 크기가 $\mathsf{M}^{\textrm{relay}} = \mathsf{N}/\mathsf{r}$ 이고 사용자 캐시 크기가 $\mathsf{M}^{\textrm{user}} = \mathsf{N}t_1/\mathsf{K}_1$ 인 경우, $t_1 = 0$ 또는 $t_1 = \mathsf{K}_1$ 일 때 $\mathsf{R}^{\mathsf{s}\to\mathsf{r}} = 0$ 가 되며, 이는 릴레이 또는 사용자에 대한 완전한 캐싱을 의미한다.
• 수치적 비교 결과, 제안된 기법은 [12]의 기법보다 서버에서 릴레이로의 최대 링크 부하를 낮추며, 릴레이-사용자 부하가 더 높다는 점을 감수한다.