[论文解读] Analysis and Optimization of Caching and Multicasting in Large-Scale Cache-Enabled Heterogeneous Wireless Networks

Ying Cui, Dongdong Jiang|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2016

Caching and Content Delivery参考文献 21被引用 3

一句话总结

本文提出了一种在大规模缓存增强型异构无线网络中的混合缓存与多播方案，结合宏站层的相同缓存和微站层的随机缓存，并结合优化的传输调度。利用随机几何方法，推导出可计算的可靠传输概率表达式，并解决了一个具有挑战性的混合离散-连续优化问题，以最大化性能，在回传链路受限条件下实现近似最优结果且计算复杂度可控。

ABSTRACT

Heterogeneous wireless networks (HetNets) provide a powerful approach to meet the dramatic mobile traffic growth, but also impose a significant challenge on backhaul. Caching and multicasting at macro and pico base stations (BSs) are two promising methods to support massive content delivery and reduce backhaul load in HetNets. In this paper, we jointly consider caching and multicasting in a large-scale cache-enabled HetNet with backhaul constraints. We propose a hybrid caching design consisting of identical caching in the macro-tier and random caching in the pico-tier, and a corresponding multicasting design. By carefully handling different types of interferers and adopting appropriate approximations, we derive tractable expressions for the successful transmission probability in the general region as well as the high signal-to-noise ratio (SNR) and user density region, utilizing tools from stochastic geometry. Then, we consider the successful transmission probability maximization by optimizing the design parameters, which is a very challenging mixed discrete-continuous optimization problem due to the sophisticated structure of the successful transmission probability. By using optimization techniques and exploring the structural properties, we obtain a near optimal solution with superior performance and manageable complexity. This solution achieves better performance in the general region than any asymptotically optimal solution, under a mild condition. The analysis and optimization results provide valuable design insights for practical cache-enabled HetNets.

研究动机与目标

• 为应对由于移动数据流量激增而导致异构无线网络（HetNets）中回传链路负载不断增长的问题。
• 在具有回传链路约束的大型缓存增强型HetNets中，联合优化缓存与多播策略。
• 基于随机几何方法，构建一个可计算的分析框架以评估系统性能。
• 解决一个复杂的混合离散-连续优化问题，以最大化可靠传输概率。
• 为部署高效缓存增强型HetNets并结合多播技术提供实用的设计洞见。

提出的方法

• 提出一种混合缓存设计：宏站层采用相同缓存，微站层采用随机缓存。
• 引入相应的多播设计，利用无线信道的广播特性同时服务多个用户。
• 使用随机几何工具建模基站和用户的空间随机性，并处理多种干扰源类型。
• 推导出在一般、高信噪比（SNR）和高用户密度场景下可靠传输概率的可计算表达式。
• 通过利用数学性质并结合先进优化技术，将优化问题转化为结构化形式。
• 提出一种复杂度低的近似最优解法，在温和条件下优于渐近解法。

实验结果

研究问题

• RQ1 物理层参数与内容流行度如何共同影响在具有回传链路约束的缓存增强型HetNets中的性能？
• RQ2 在具有混合层级架构的异构网络中，缓存与多播之间最优权衡是什么？
• RQ3 在缓存与传输调度的混合离散-连续设计变量下，如何最大化可靠传输概率？
• RQ4 可以利用优化问题的哪些结构特性，以低复杂度实现近似最优解？
• RQ5 与纯随机或完全相同的缓存设计相比，宏站层采用相同缓存、微站层采用随机缓存的混合缓存策略在性能与可扩展性方面表现如何？

主要发现

• 所提出的混合缓存与多播方案在一般区域内的性能优于任何渐近最优解，仅需在温和条件下成立。
• 利用随机几何近似，推导出在一般、高SNR和高用户密度场景下可靠传输概率的闭式表达式。
• 最优解被证明具有鲁棒性且接近最优，尽管问题具有混合离散-连续特性，但计算复杂度可控。
• 若某最热门文件的传输增益超过微站层的增益，则可证明其应被缓存在宏站层，该结论基于信号强度与干扰条件。
• 微站层中文件的最优传输时间取决于缓存文件数量与回传链路容量，已推导出基于阈值的决策规则。
• 分析表明，将宏站基站在相同缓存与微站基站在随机缓存相结合，可提供空间分集增益，并比均匀或相同设计更好地利用内容流行度信息。