[论文解读] Delivery Latency Regions in Fog-RANs with Edge Caching and Cloud Processing.

Jasper Goseling, Osvaldo Simeone+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2017

Caching and Content Delivery参考文献 5被引用 6

一句话总结

本文在每个边缘节点（EN）缓存容量受限的条件下，研究了雾无线接入网络（Fog-RANs）中边缘缓存与云处理下的传输时延区域，重点关注内容请求的异构流行度。在双EN与双用户、高信噪比（high-SNR）的场景下，推导出归一化传输时间（NDT）区域，表明时延可依据内容流行度进行优化，而非对所有文件一视同仁。

ABSTRACT

A Fog Radio Access Network (F-RAN) is a cellular wireless system that enables content delivery via edge caching, i.e., storage of popular content at the edge nodes (ENs), and cloud processing. The existing information-theoretic analyses of F-RAN systems, and special cases thereof, make the assumption that all files in the content library are equally relevant, and hence all users' requests should be guaranteed the same delivery latency (i.e., transmission time). In practice, it is generally desirable to provide different latency levels as a function of the users' requests, e.g., based on the current popularity ranking of the contents. This paper studies the problem of characterizing the region of delivery latencies for all possible users' requests under a per-EN cache capacity constraint. For the case with two ENs and two users, the latency region is characterized in the high-SNR regime in terms of the Normalized Delivery Time (NDT) metric, introduced in prior work.

研究动机与目标

• 为解决现有F-RAN分析中假设所有文件具有同等重要性、导致所有请求的传输时延均一的问题。
• 在每个EN缓存容量受限的条件下，建立并表征传输时延区域，反映现实世界中内容流行度的差异。
• 研究基于内容流行度的用户请求模式如何影响雾无线接入网络中可实现的传输时延。
• 将先前针对单用户、单EN的归一化传输时间（NDT）研究扩展至具有异构请求分布的多用户、多EN F-RAN场景。
• 提供一个理论框架，通过将传输策略与内容流行度对齐，实现雾无线接入网络中时延的优化。

提出的方法

• 建立一个包含两个边缘节点（ENs）和两个用户的雾无线接入网络模型，其中每个EN根据内容流行度缓存部分内容。
• 应用归一化传输时间（NDT）度量来量化传输时延，从而实现在不同信噪比（SNR）区间下的比较。
• 在高信噪比（high-SNR）区域推导传输时延区域，利用信息论工具刻画不同用户请求之间时延的权衡关系。
• 考虑一种异构请求模型，即用户以不同流行度请求文件，并据此优化传输策略。
• 采用几何方法表征所有用户可实现的NDT元组集合，反映缓存放置与传输调度的影响。
• 通过分析在缓存容量约束下，两个用户间传输时延最优权衡关系，确定时延区域的边界。

实验结果

研究问题

• RQ1 在双EN、双用户的雾无线接入网络中，内容流行度如何影响可实现的传输时延区域？
• RQ2 在高信噪比（high-SNR）区域下，每个EN缓存容量受限时，传输时延区域的结构是怎样的？
• RQ3 归一化传输时间（NDT）度量是否可用于基于请求流行度表征异构时延需求？
• RQ4 当传输策略根据内容流行度进行调整而非对所有文件一视同仁时，系统性能如何变化？
• RQ5 在缓存启用的雾无线接入网络中，两个请求模式不同的用户之间，传输时延的最优权衡关系是什么？

主要发现

• 本文表征了在双EN、双用户、高信噪比（high-SNR）区域下，具有边缘缓存的雾无线接入网络的传输时延区域。
• 结果表明，时延区域依赖于内容流行度，从而可基于请求频率实现差异化的传输时延。
• 明确推导出归一化传输时间（NDT）区域，揭示了不同用户间传输时延的最优权衡关系。
• 结果表明，忽略内容流行度将导致次优的时延性能，因为均匀时延假设无法充分利用缓存增益。
• 分析表明，通过将缓存放置与传输调度与请求流行度对齐，系统可实现更优的整体时延性能。
• 所推导的区域为设计优先处理热门内容并实现更低时延的自适应F-RAN系统提供了理论基础。