[论文解读] On Multi-Server Coded Caching in the Low Memory Regime

Seyed Pooya Shariatpanahi, Babak Hossein Khalaj|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2018

Caching and Content Delivery参考文献 14被引用 9

一句话总结

本文提出了一种在低缓存容量场景下适用于多服务器系统的最优编码缓存方案，其中每个用户仅缓存每个文件的一小部分。通过在内容放置阶段采用编码方式，并在数据传输阶段使用迫零波束成形，该方案实现了理论上最小的传输时延，其最优性通过匹配的反证法得以证明，相较于非编码方案，时延性能显著提升。

ABSTRACT

In this paper we determine the delivery time for a multi-server coded caching problem when the cache size of each user is small. We propose an achievable scheme based on coded cache content placement, and employ zero-forcing techniques at the content delivery phase. Surprisingly, in contrast to previous multi-server results which were proved to be order-optimal within a multiplicative factor of 2, for the low memory regime we prove that our achievable scheme is optimal. Moreover, we compare the performance of our scheme with the uncoded solution, and show our proposal improvement over the uncoded scheme. Our results also apply to Degrees-of-Freedom (DoF) analysis of Multiple-Input Single-Output Broadcast Channels (MISO-BC) with cache-enabled users, where the multiple-antenna transmitter replaces the role of multiple servers. This shows that interference management in the low memory regime needs different caching techniques compared with medium-high memory regimes discussed in previous works.

研究动机与目标

• 解决在用户缓存容量极小（M = 1/N）时，最小化多服务器编码缓存系统中传输时延的挑战。
• 设计一种利用迫零波束成形实现低缓存容量下最优传输时延的编码缓存方案。
• 证明所提出的方案在信息论意义上是最优的，而不同于以往仅在常数因子内达到最优的工作。
• 展示所提方案在传输时延方面显著优于传统非编码缓存基线方案。
• 将结果扩展至具备缓存用户的MISO-BC信道中的自由度（DoF）分析。

提出的方法

• 用户缓存中以文件子文件的线性组合形式放置缓存内容，从而实现编码多播增益。
• 在传输阶段，发射端应用迫零波束成形技术以对齐干扰并支持逐次检测。
• 传输阶段被结构化为一个传输表，行代表时隙，每行通过波束成形向用户独立发送消息。
• 该方案将消息划分为子消息，并将其分配至不同时隙，使得每个用户能结合其缓存内容和接收信号解码其请求的文件。
• 通过将请求独立消息的用户分组为大小为L（发射端数量）的组，实现并行迫零传输，从而最小化传输时间。
• 构建反证法以证明传输时间不可能小于(N−1)/L，与可实现方案的性能完全匹配。

实验结果

研究问题

• RQ1 当每个用户的缓存容量为M = 1/N且存在K = N个用户时，多服务器编码缓存的最优传输时延是多少？
• RQ2 在低缓存容量下，采用迫零波束成形的编码缓存方案能否实现最优传输时延？
• RQ3 所提编码方案在传输时延方面相较于非编码缓存基线方案的性能如何？
• RQ4 当用户具备缓存能力且应用迫零波束成形时，多天线MISO-BC信道的自由度（DoF）性能如何？
• RQ5 所提方案在低缓存容量下是否真正最优，还是仅如以往工作一样为阶次最优？

主要发现

• 所提方案实现了T = (N−1)/L的传输时延，且在低缓存容量下被证明为信息论意义上的最优。
• 反证法与可实现方案性能完全匹配，证实该方案为最优，而非仅在常数因子内达到最优。
• 当N=4且L=3时，对于K = N且M = 1/N的情况，所提方案相比非编码方案将传输时延减少了3/8个时隙。
• 非编码方案的传输时延为T = K(1−M/N)/L = (1+1/N)(N−1)/L，严格大于所提方案的时延。
• 当L整除N−1时，最优传输时延恰好为T = (N−1)/L，且可通过所提编码方案与迫零波束成形实现。
• 该结果可推广至MISO-BC信道，其中多天线基站作为分布式发射端，其自由度性能与编码缓存增益相匹配。