[论文解读] Cloud-Edge Non-Orthogonal Transmission for Fog Networks with Delayed CSI at the Cloud

Jingjing Zhang, Osvaldo Simeone|arXiv (Cornell University)|May 25, 2018

Caching and Content Delivery参考文献 8被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种在云层具有延迟信道状态信息（CSI）的雾无线电接入网络（F-RANs）中采用云-边缘非正交传输的方案。通过使用叠加编码和零 forcing波束成形，将云预编码信号与边缘预编码缓存内容叠加，该方案实现了归一化传输时间（NDT）为 $\delta = \min\left(\frac{1-\mu}{r} + 1, \frac{1-\mu}{\alpha} + \frac{1}{r}\right)$，在非完美CSI条件下显著降低了正交方案的时延。

ABSTRACT

In a Fog Radio Access Network (F-RAN), the cloud processor (CP) collects channel state information (CSI) from the edge nodes (ENs) over fronthaul links. As a result, the CSI at the cloud is generally affected by an error due to outdating. In this work, the problem of content delivery based on fronthaul transmission and edge caching is studied from an information-theoretic perspective in the high signal-to-noise ratio (SNR) regime. For the set-up under study, under the assumption of perfect CSI, prior work has shown the (approximate or exact) optimality of a scheme in which the ENs transmit information received from the cloud and cached contents over orthogonal resources. In this work, it is demonstrated that a non-orthogonal transmission scheme is able to substantially improve the latency performance in the presence of imperfect CSI at the cloud.

研究动机与目标

• 解决在回传链路受限的边缘缓存F-RANs中，由于云层CSI过时导致的时延退化问题。
• 探究在云层CSI不完美时，非正交传输是否能优于传统的正交方案。
• 在高信噪比（SNR）区域，对结合回传链路与边缘缓存的云-边缘传输策略，表征其归一化传输时间（NDT）。
• 建立在云层CSI延迟时，非正交传输在时延方面的最优性。

提出的方法

• 云基于CSI误差的缩放 $\mathbb{E}[|h_k^i - \hat{h}_k^i|^2] \doteq P^{-\alpha}$ 对用户内容进行预编码，并通过回传链路使用叠加编码进行传输，功率分配依据该误差缩放。
• 边缘节点缓存子文件，并利用零 forcing（ZF）波束成形对它们进行协作预编码，以消除其他用户造成的干扰，从而利用边缘处的完美CSI。
• 每个边缘节点的发射信号是云预编码信号与边缘预编码信号的叠加，从而实现非正交多址接入。
• 用户解码分为两个阶段：首先将干扰视为噪声，解码边缘预编码信号；然后在干扰消除后，解码云预编码信号。
• 该方案采用时分结构，按顺序传输边缘与云信号，解码顺序由信号强度和时延约束决定。
• 在两种情形下推导了归一化传输时间（NDT）：当边缘解码主导时（$\mu \geq 1 - \alpha$）和当云解码主导时（$\mu \leq 1 - \alpha$）

实验结果

研究问题

• RQ1 当云层具有延迟CSI时，非正交传输是否能在F-RANs中优于正交方案？
• RQ2 在CSI不完美条件下，回传链路与边缘传输之间在传输时延上的最优权衡是什么？
• RQ3 CSI误差缩放（$P^{-\alpha}$）在高SNR区域如何影响可实现的分集增益与复用增益？
• RQ4 在何种条件下，结合边缘ZFBF与云叠加编码可使归一化传输时间（NDT）最小化？
• RQ5 是否存在云传输主导时延的区域？在何种情况下时延由边缘传输主导？

主要发现

• 所提出的非正交传输方案在 $\mu \geq 1 - \alpha$ 时，实现归一化传输时间（NDT）为 $\delta = \frac{1-\mu}{r} + 1$，表明边缘传输主导时延。
• 当 $\mu \leq 1 - \alpha$ 时，NDT为 $\delta = \frac{1-\mu}{\alpha} + \frac{1}{r}$，表明由于CSI不完美，云传输时延占主导。
• 该方案通过叠加编码利用CSI误差缩放带来的 $\alpha$ 阶分集增益，有效抑制了干扰。
• 边缘预编码信号以速率 $(1 - \alpha)\log P$ 首先被解码，将干扰与噪声合并为单一项，其功率为 $\mathbb{E}[|z_k|^2] \doteq 1$。
• 在解码边缘信号后，云预编码信号以速率 $\alpha \log P$ 被解码，其干扰加噪声项为 $\mathbb{E}[|\tilde{\boldsymbol{h}}_k^T \sum \boldsymbol{v}_{d_{k'}} s_{d_{k'}}|^2] \doteq P^\alpha$。
• 由于非正交多路复用与ZF波束成形的高效利用，与正交方案相比，总NDT得到最小化，尤其在高SNR区域表现更优。