[논문 리뷰] On the Placement Delivery Array Design for Coded Caching Scheme in D2D Networks

Jinyu Wang, Minquan Cheng외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 18.

Caching and Content Delivery참고 문헌 17인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 최소 전송률과 최소 파일 분할 수 F를 갖는 디바이스 투 디바이스(D2D) 네트워크에서 코딩 캐싱 스킴을 설계하기 위해 새로운 D2D 배치 전달 어레이(DPDA) 프레임워크를 제안한다. 구조적 어레이 표현을 도입함으로써 저자들은 전송률과 F에 대한 날카운 감소한 하한을 유도하고, 세 가지 새로운 유형의 DPDAs를 구성하여 두 하한을 동시에 충족시켰다. 이는 기존의 JCM 스킴과 비교해 특히 M/N = 2/K 및 (K−2)/K일 경우 F를 크게 감소시킨다.

ABSTRACT

The coded caching scheme is an efficient technique as a solution to reduce the wireless network burden during the peak times in a Device-to-Device (D2D in short) communications. In a coded caching scheme, each file block should be divided into $F$ packets. It is meaningful to design a coded caching scheme with the rate and $F$ as small as possible, especially in the practice for D2D network. In this paper we first characterize coded caching scheme for D2D network by a simple array called D2D placement delivery array (DPDA in shot). Consequently some coded caching scheme for D2D network can be discussed by means of an appropriate DPDA. Secondly we derive the lower bounds on the rate and $F$ of a DPDA. According these two lower bounds, we show that the previously known determined scheme proposed by Ji et al., (IEEE Trans. Inform. Theory, 62(2): 849-869,2016) reaches our lower bound on the rate, but does not meet the lower bound on $F$ for some parameters. Finally for these parameters, we construct three classes of DPDAs which meet our two lower bounds. Based on these DPDAs, three classes of coded caching scheme with low rate and lower $F$ are obtained for D2D network.

연구 동기 및 목표

• 최소 전송률과 최소 파일 분할 수 F를 갖는 D2D 네트워크에서의 코딩 캐싱 스킴을 설계하기 위해.
• 새로운 조합 구조인 D2D 배치 전달 어레이(DPDA)를 사용해 코딩 캐싱 스킴을 모델링하기 위해.
• 모든 DPDA 기반 스킴에 대한 전송률 R과 파일 분할 수 F에 대한 이론적 하한을 도출하기 위해.
• 특정 M/N 비율에서 두 하한을 동시에 충족하는 명시적 DPDAs를 구성하기 위해.
• 동일한 전송률을 유지하면서 JCM 스킴을 크게 개선하기 위해, F를 크게 감소시키기 위해.

제안 방법

• D2D 네트워크에서 코딩 캐싱 스킴을 표현하기 위한 조합 구조인 D2D 배치 전달 어레이(DPDA)를 도입한다.
• 전송률에 대한 하한 R ≥ N/M − 1을 유도하며, 이는 JCM 스킴의 전송률과 일치한다.
• R = N/M − 1인 DPDA에 대한 F에 대한 하한을 설정하여, M/N = 2/K 및 (K−2)/K일 경우 JCM의 F가 최적이 아님을 보여준다.
• 세 가지 재귀적 DPDA 구성법을 제안한다: 짝수 K = 2q에 대한 하나, 홀수 K = 2q+1에 대한 하나, 그리고 K = 3, 5 및 더 큰 홀수 K에 대한 하나.
• 인덱스가 부여된 기호(예: i^{(j)})를 사용한 구조적 행렬 블록과 이전 어레이 및 벡터를 기반으로 한 재귀적 채우기 규칙을 사용한다.
• 코딩 캐싱 스킴 설계 문제를 최소 전송률 R과 최소 파일 분할 수 F를 갖는 (K, L′, F, Z, S) DPDA를 구성하는 문제로 환원한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 조합 구조인 DPDA를 사용해 D2D 코딩 캐싱 스킴을 체계적으로 설계할 수 있는가?
• RQ2 D2D 코딩 캐싱 스킴에 대한 전송률 R과 파일 분할 수 F에 대한 이론적 하한은 무엇인가?
• RQ3 JCM 스킴은 모든 M/N 비율에서 최적의 F를 달성하는가? 특히 M/N = 2/K 및 (K−2)/K일 경우 어떻게 되는가?
• RQ4 두 하한 R과 F를 동시에 충족하는 새로운 DPDAs를 구성할 수 있는가?
• RQ5 동일한 전송률과 파rameters를 갖는 기존 스킴(예: JCM) 대비 F는 얼마나 감소시킬 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 DPDA 프레임워크는 문제를 어레이 구성 문제로 환원함으로써 D2D 네트워크에서 코딩 캐싱 스킴의 체계적 설계를 가능하게 한다.
• 전송률에 대한 하한 R ≥ N/M − 1이 도출되었으며, 이는 날카로운 하한이며 JCM 스킴의 전송률과 일치한다.
• M/N = 2/K일 경우, JCM 스킴의 F는 최적이 아니다. 제안된 구성은 K = 2q일 때 F = 2q(q−1)를 달성하며, JCM 대비 F를 1/(2q−1) 배 감소시킨다.
• 홀수 K = 2q+1인 M/N = (K−2)/K일 경우, 제안된 DPDA는 F = 4q² − 1을 달성하며, JCM 대비 F를 1/q 배 감소시킨다.
• 세 가지 새로운 DPDA 구성법은 특정 M/N 비율에서 이론적 하한인 R과 F를 동시에 충족시킨다.
• 결과적으로 JCM 스킴의 F는 M/N = 2/K 및 (K−2)/K일 경우 최적이 아니며, 제안된 스킴은 전송률을 그대로 유지하면서 F에 있어 상당한 향상을 이룬다.