[论文解读] Cache-enabled Heterogeneous Cellular Networks: Comparison and Tradeoffs

Dong Liu, Chenyang Yang|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2016

Caching and Content Delivery参考文献 20被引用 8

一句话总结

本文比较了采用无回传链路但带缓存的中继节点的缓存增强异构网络（HetNets）与具有容量受限回传链路的宏站（PBSs）的传统HetNets。利用随机几何方法，推导出面积 spectral 效率（ASE）的闭式表达式，结果表明：中继节点仅需1/4的PBSs密度即可达到相同的ASE，且在给定总缓存容量下存在最优中继节点密度，显著降低部署成本。

ABSTRACT

Caching popular contents at base stations (BSs) is a promising way to unleash the potential of cellular heterogeneous networks (HetNets), where backhaul has become a bottleneck. In this paper, we compare a cache-enabled HetNet where a tier of multi-antenna macro BSs is overlaid by a tier of helper nodes having caches but no backhaul with a conventional HetNet where the macro BSs tier is overlaid by a tier of pico BSs with limited-capacity backhaul. We resort stochastic geometry theory to derive the area spectral efficiencies (ASEs) of these two kinds of HetNets and obtain the closed-form expressions under a special case. We use numerical results to show that the helper density is only 1/4 of the pico BS density to achieve the same target ASE, and the helper density can be further reduced by increasing cache capacity. With given total cache capacity within an area, there exists an optimal helper node density that maximizes the ASE.

研究动机与目标

• 评估缓存增强HetNets相较于具有容量受限回传链路的常规HetNets的性能增益。
• 分析在实现目标面积谱效率（ASE）时，中继节点密度与缓存容量之间的权衡关系。
• 利用随机几何方法，推导两种网络架构下的ASE闭式表达式。
• 在给定区域内总缓存容量固定的前提下，识别出能最大化ASE的最优中继节点密度。

提出的方法

• 将宏站（MBSs）和中继节点/PBSs建模为独立的齐次泊松点过程（PPPs）。
• 利用随机几何和拉普拉斯变换，推导两种网络类型的信干噪比（SINR）覆盖概率及平均ASE。
• 应用PPPs的概率生成泛函和广义二项式展开，计算干扰分布。
• 通过高斯超几何函数 $_2F_1$ 推导特殊情况下ASE的闭式表达式。
• 考虑多天线MBSs与单天线中继节点/PBSs，其中MBSs具有无限回传容量，而中继节点/PBSs具有有限或无回传容量。
• 通过仿真验证分析结果，并对关键参数（如密度、缓存大小和回传容量）下的ASE权衡进行数值评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 采用中继节点的缓存增强HetNet的ASE与具有回传受限PBSs的传统HetNet相比如何？
• RQ2 为实现相同的目标ASE，中继节点密度相对于PBS密度应为多少？
• RQ3 在给定ASE目标下，增加缓存容量如何影响所需的中继节点密度？
• RQ4 当总缓存容量固定时，是否存在一个能最大化ASE的最优中继节点密度？
• RQ5 文件流行度和用户密度对缓存增强网络中ASE增益的影响是什么？

主要发现

• 缓存增强HetNet的ASE可达到与相同中继/PBS密度的传统HetNet相比的两倍。
• 为实现相同目标ASE，中继节点密度仅需为PBS密度的1/4，显著降低部署和运营成本。
• 通过增加缓存容量，可降低中继节点密度，实现基础设施密度与缓存大小之间的权衡。
• 在给定区域内总缓存容量固定时，存在一个能最大化ASE的最优中继节点密度。
• 当缓存容量较大时，ASE随缓存容量减小而缓慢下降；但当缓存容量过小时，ASE会迅速下降。
• 数值结果证实，通过随机几何推导出的分析ASE表达式与仿真结果高度吻合。