[论文解读] The Performance Analysis of Coded Cache in Wireless Fading Channel

Wei Huang, Sinong Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2015

Caching and Content Delivery参考文献 6被引用 42

一句话总结

本文研究了无线衰落信道中的编码缓存技术，提出了时分（TD）和频分（FD）传输模式下的功率与带宽分配策略，以最大化系统吞吐量。结果表明，性能受限于信道质量最差的用户，且仅在缓存容量较大且带宽充足时，编码缓存才优于传统方案，其中FD模式显著优于TD模式。

ABSTRACT

The rapid growth of data volume and the accompanying congestion problems over the wireless networks have been critical issues to content providers. A novel technique, termed as coded cache, is proposed to relieve the burden. Through creating coded-multicasting opportunities, the coded-cache scheme can provide extra performance gain over the conventional push technique that simply pre-stores contents at local caches during the network idle period. But existing works on the coded caching scheme assumed the availability of an error-free shared channel accessible by each user. This paper considers the more realistic scenario where each user may experience different link quality. In this case, the system performance would be restricted by the user with the worst channel condition. And the corresponding resource allocation schemes aimed at breaking this obstacles are developed. Specifically, we employ the coded caching scheme in time division and frequency division transmission mode and formulate the sub-optimal problems. Power and bandwidth are allocated respectively to maximum the system throughput. The simulation results show that the throughput of the technique in wireless scenario will be limited and would decrease as the number of users becomes sufficiently large.

研究动机与目标

• 解决无线衰落环境中因部分用户信道条件较差而造成的编码缓存系统性能瓶颈问题。
• 为时分（TD）和频分（FD）传输模式下的编码缓存问题，制定次优资源分配问题。
• 通过联合优化功率与带宽分配，在用户信道质量与缓存容量约束下，最大化系统吞吐量。
• 研究当用户数量增加时，系统吞吐量的扩展行为，特别是在衰落信道条件下的表现。
• 评估缓存大小、系统带宽和发射功率对真实无线场景下吞吐量性能的影响。

提出的方法

• 通过建模用户特定的信道增益，将编码缓存方案适配至无线衰落信道，并将其融入传输设计中。
• 为TD与FD模式设计次优资源分配问题，通过优化功率与带宽以最大化系统吞吐量。
• 采用涉及用户信道增益与数据段大小的加权和公式，以建模在衰落信道下的有效吞吐量。
• 通过理论分析，推导出在每种传输模式下最优的功率与带宽分配策略。
• 采用基于仿真的评估方法，比较在不同缓存大小、带宽和功率水平下，编码缓存与传统非编码方案的性能。
• 考虑通过分组编码传输（GCD）进行用户分组，作为未来改进方向，以缓解最差用户带来的性能下降问题。

实验结果

研究问题

• RQ1 用户特定的信道衰落如何影响无线网络中编码缓存的性能？
• RQ2 在衰落信道下，编码缓存的时分（TD）与频分（FD）传输模式中，最优的功率与带宽分配策略是什么？
• RQ3 当最差信道用户限制性能时，系统吞吐量如何随用户数量变化？
• RQ4 在衰落无线环境中，编码缓存何时能实现比传统缓存更高的吞吐量？
• RQ5 在编码缓存系统中，FD模式下的资源分配是否能显著优于TD模式？

主要发现

• 编码缓存系统的吞吐量受信道增益最差用户限制，当最差用户信道增益趋近于零时，性能显著下降。
• 在小缓存大小（α < 0.1）下，吞吐量随用户数增加而下降；而在大缓存大小（α > 0.1）下，由于内容重用与多播增益，吞吐量反而上升。
• 仅当缓存大小较大且系统带宽充足时，编码缓存才优于传统方案；否则，增益可忽略甚至在TD模式下为负。
• 采用资源分配的频分（FD）传输模式相比时分（TD）模式可实现显著更高的吞吐量，尤其在大缓存大小下。
• 吞吐量随发射功率与系统带宽增加而提升，但增益受限于最差用户信道质量，尤其在用户数量较多时。
• 在小缓存大小与高用户数条件下，编码方案与传统方案之间的性能差距缩小甚至反转，尤其在TD模式下更为明显。