[논문 리뷰] Edge Caching in Delay-Constrained Virtualized Cellular Networks: Analysis and Market

Tachporn Sanguanpuak, Sudarshan Guruacharya외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 13.

Caching and Content Delivery참고 문헌 23인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 확률적 지연 제약 조건 하에서 비용을 최소화하기 위해 가상화된 5G 네트워크에서 기지국 밀도화와 엣지 캐싱을 공동 최적화하는 방법을 제안한다. 스토하스틱 기하학과 기하학적 프로그래밍을 사용하여 캐시 히트 확률에 대한 날카운 approximation 을 유도하고, 셰플리 값 기반 임대료 분배를 통한 스택엘베르크 게임을 제안하여 다수의 이동통신사업자(MNO) 간 공정한 인프라 가격 책정을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Caching of popular contents at cellular base stations, i.e., edge caching, in order to eliminate duplicate transmission through the backhaul can reduce the latency of data delivery in $5$G networks. However, since caching can only reduce the backhaul delay, techniques such as base station densification will also need to be used to reduce the fronthaul delay. In this paper, using results from stochastic geometry, we first model the effects of base station densification and cache size on the latency of the system. We then derive a tight approximation for the cache hit probability. To optimize the network cost due to the deployment of base station (BS) and cache storage, a minimization problem for the product of the BS intensity and cache size is formulated under probabilistic delay constraint, which is converted into a geometric program and solved analytically. The results are then used to analyze the economics of a cache-enabled virtualized cellular network where the network infrastructure, i.e., BSs and cache storage, owned by an infrastructure provider (InP) is shared among multiple mobile network operators (MNOs). For the pricing between the InP and the MNOs, we formulate a Stackelberg game with the InP as the leader and multiple MNOs as the followers. In this virtualized scenario, the common cost of renting the infrastructure is shared in a fair manner among the MNOs by using the Shapely value. An efficient algorithm is provided to divide the rent among MNOs.

연구 동기 및 목표

• 지연 제약 조건이 있는 가상화된 이동통신 네트워크에서 기지국 강도와 캐시 크기 간의 상호 상관 관계를 분석한다.
• 확률적 지연 제약 조건 하에서 기지국 강도와 캐시 크기의 곱을 최소화하여 비용 효율적인 구현을 가능하게 한다.
• 가상화된 네트워크 환경에서 인프라 제공자(InP)와 다수의 MNO 간의 경제적 상호작용을 모델링한다.
• 공동 캐싱 및 기지국 인프라 공유를 위한 셰플리 값 기반 공정한 임대료 분배 메커니즘을 설계한다.
• 네트워크 파라미터, 예를 들어 지프 분포의 지수, 대역폭, 전력 소비가 시스템 성능 및 InP 수익성에 미치는 영향을 평가한다.

제안 방법

• 기지국 배치를 위한 동질적 포아송 점 프로세스(PPP)를 사용하여 다운링크 신호 대 간섭 및 노이즈 비율(SINR) 커버리지와 쓰래들러를 스토하스틱 기하학으로 모델링한다.
• 캐시 크기와 파일 인기도(지프 분포)에 따라 캐시 히트 확률에 대한 날카운 분석 근사식을 유도한다.
• 기지국 강도와 캐시 크기 간의 균형을 맞추는 비용 최소화 문제를 닫힌 형태로 해석 가능한 기하학적 프로그래밍 문제로 변환한다.
• InP가 가격을 설정하는 리더로서의 역할을 하며, MNO들이 지연 제약 조건 하에서 인프라 사용을 최적화하는 스택엘베르크 게임을 수립한다.
• 연속적인 기하학적 프로그래밍을 적용하여 스택엘베르크 균형을 해결하고 최적의 가격 책정 및 자원 할당에 수렴함을 보장한다.
• 셰플리 값 기반으로 각 MNO의 협력 게임에서의 마진 기여도에 따라 총 임대료를 공정하게 분배하며, 효율적인 계산 알고리즘을 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기지국 밀도화와 엣지 캐싱의 조합이 가상화된 5G 네트워크에서 전체 지연과 비용에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 확률적 지연 제약 조건 하에서 기지국 밀도와 캐시 크기 간의 최적 균형은 무엇인가?
• RQ3 다수의 MNO 간 인프라 공유를 경제적으로 모델링하여 공정성과 효율성을 보장할 수 있는가?
• RQ4 파일 인기도의 지프 지수는 최적 캐시 크기와 시스템 비용에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 전력 소비 파라미터(회로 전력 및 실제 전력 비용)는 제안된 모델에서 인프라 제공자(InP)의 수익성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 지프 지수는 MNO의 최적 전략에 상당한 영향을 미치며, 높은 지수일수록 캐시 효율성이 증가하고 필요한 캐시 크기가 감소한다.
• 대역폭이 높은 MNO(예: MNO-3)는 더 큰 캐시 크기를 필요로 하며 총 임대료에 더 큰 기여를 하여 셰플리 값 할당도 높아진다.
• 대역폭 $W$ 가 변화하더라도 최적 기지국 강도 $\lambda^*$ 는 변화하지 않지만, 최적 캐시 크기 $S^*$ 는 $W$ 와 함께 증가한다.
• 인프라 제공자의 수익은 높은 지프 지수 $\nu$ 에 따라 증가하며, 높은 회로 전력 $p_c$ 와 실제 전력 비용 $\theta$ 에 의해 크게 향상된다.
• 총 임대료 $\omega^*\lambda^*S^*$ 는 개별 MNO의 셰플리 값의 합인 $\psi_1 + \psi_2 + \psi_3$ 와 정확히 일치하며, 이는 분배 메커니즘이 공정함을 확인한다.
• 캐시 히트 확률 분석에서 해석 가능성을 확보하기 위해 일반화된 조화수 $H_{S,\nu}$ 에 대한 점근적 근사식을 허리츠 제타 함수를 사용하여 유도하였다.