[论文解读] On Combination Networks with Cache-aided Relays and Users

Kai Wan, Daniela Tuninetti+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2018

Caching and Content Delivery参考文献 12被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种用于带有缓存中继和用户的组合网络的新型编码缓存方案，利用中继缓存降低服务器到中继的传输负载。通过联合设计中继和用户的缓存策略，并采用MDS编码的多播传输，该方案在最大链路负载方面优于以往工作，展示了来自中继缓存的新编码缓存增益。

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.

研究动机与目标

• 解决在同时具备中继和用户缓存的组合网络中最小化最大链路负载的问题。
• 将仅在终端用户缓存的集中式组合网络的先前工作扩展到包含缓存中继的更一般模型。
• 设计一种能够同时利用中继和用户缓存的编码多播增益的缓存方案。
• 通过降低服务器到中继的传输负载，同时保持或提升整体传输效率，超越现有方案。

提出的方法

• 该方案采用两阶段方法：缓存放置和数据传输，实现中继和用户端的联合编码缓存。
• 根据用户和中继的连接模式将文件划分为子文件，并应用MDS编码以生成编码的多播消息。
• 在传输阶段，中继将编码数据包转发给用户，每个用户利用自身缓存和接收到的编码信号解码其请求的文件。
• 该方案提出一种新颖的MDS编码多播消息构造方法，其依赖于连接到每个中继的用户集合以及用户请求模式。
• 通过涉及用户集合、中继集合和文件子包化程度的组合表达式，推导出服务器到中继的传输负载。
• 该方案实现的服务器到中继负载不超过文献中已知的最佳方案，但以中继到用户负载的增加为代价。

实验结果

研究问题

• RQ1 在仅靠用户缓存无法实现的情况下，中继缓存是否能在组合网络中提供额外的编码缓存增益？
• RQ2 当中继和用户均具备缓存时，如何联合优化缓存放置和数据传输阶段？
• RQ3 在缓存中继的组合网络中，服务器到中继与中继到用户链路之间的可实现负载权衡是什么？
• RQ4 与仅在用户端缓存的现有方案相比，所提方案能否降低服务器到中继的传输负载？

主要发现

• 所提方案在仅终端用户缓存的组合网络中，实现的服务器到中继传输负载不超过文献中已知的最佳方案。
• 通过利用中继缓存内容，该方案引入了一种新的编码缓存增益，减少了对高带宽服务器传输的需求。
• 与非编码方案相比，中继到用户传输负载有所增加，但这一代价被服务器到中继负载的降低所抵消。
• 当中继缓存大小为 $\mathsf{M}^{\textrm{relay}} = \mathsf{N}/\mathsf{r}$ 且用户缓存大小为 $\mathsf{M}^{\textrm{user}} = \mathsf{N}t_1/\mathsf{K}_1$ 时，若 $t_1 = 0$ 或 $t_1 = \mathsf{K}_1$，则 $\mathsf{R}^{\mathsf{s}\to\mathsf{r}} = 0$，表明中继或用户实现了完全缓存。
• 数值比较表明，与文献[12]中的方案相比，所提方案在服务器到中继链路的最大负载更低，代价是中继到用户链路负载更高。