[论文解读] Fundamental Limits of Device-to-Device Private Caching with a Trusted Server under Uncoded Cache Placement and User Collusion

Kai Wan, Hua Sun+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2019

Caching and Content Delivery参考文献 36被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新颖的D2D缓存方案，通过可信服务器实现用户需求的信息论隐私保护，即使在用户合谋的情况下也能实现，方法是利用服务器协调编码多播传输。该研究建立了可实现方案与紧致的反向界限，表明该方案在非编码放置的私有缓存中性能接近最优。

ABSTRACT

In the coded caching problem, as originally formulated by Maddah-Ali and Niesen, a server communicates via a noiseless broadcast link to multiple users that have local storage capability. In order for a user to decode the desired file from the coded multicast transmission, the demands of all the users must be globally known, which may violate the privacy of the users. To overcome this privacy problem, Wan and Caire recently proposed several schemes that attain coded multicasting gain while simultaneously guarantee information theoretic privacy of the users' demands. In Device-to-Device (D2D) networks, the demand privacy problem is further exacerbated by the fact that each user is also a transmitter, which should know the files demanded by the remaining users in order to form its coded multicast transmissions. This paper solves this seemingly infeasible problem with the aid of a trusted server. Specifically, during the delivery phase, the trusted server collects the users' demands and sends a query to each user, who then broadcasts coded multicast packets according to this query. The main contribution of this paper is the development of novel achievable schemes and converse bounds for D2D private caching with a trusted server, where users may be colluding (i.e., when some users share cached content and demanded file indices), that are to within a constant factor of one another.

研究动机与目标

• 解决用户作为发送者和接收者的设备到设备（D2D）缓存网络中的需求隐私挑战。
• 克服D2D网络中固有的隐私泄露问题，即用户必须知晓其他用户的需求才能形成编码传输。
• 即使合谋用户共享缓存内容和需求索引，也确保隐私性。
• 设计一种利用可信服务器收集需求并协调安全、私有的编码多播传输的方案。
• 通过可实现方案与反向界限建立基本极限，证明性能在常数因子范围内接近最优。

提出的方法

• 引入一个可信服务器，在传输阶段收集所有用户对文件的需求。
• 利用服务器生成并分发查询给每个用户，使其能够基于自身需求计算并广播编码多播分组，而无需了解其他用户的需求。
• 设计一种采用非编码放置的缓存方案，以简化实现，同时保持隐私性。
• 提出一种新颖的传输策略，其中每个用户仅根据自身需求和服务器提供的查询广播编码分组。
• 推导反向界限，以刻画在用户合谋情况下的私有缓存基本极限。
• 在服务器对用户需求具有全局知识的假设下分析系统，确保用户层面的隐私性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当用户可能合谋且采用非编码放置时，D2D网络中私有缓存的基本极限是什么？
• RQ2 可信服务器能否在不向单个用户暴露其需求的情况下，实现在D2D网络中的私有编码多播？
• RQ3 可实现方案在用户合谋条件下能多接近私有缓存的理论极限？
• RQ4 用户合谋对D2D网络中私有缓存增益有何影响？
• RQ5 能否通过可信服务器实现最优私有缓存速率的常数因子近似？

主要发现

• 所提出的方案在具有可信服务器的D2D网络中实现了私有编码多播，确保没有任何用户能获知其他用户的需求。
• 该方案在用户合谋下依然稳健，合谋用户无法通过服务器中介的查询分发推断彼此的需求。
• 作者建立了可实现方案与反向界限，表明性能在最优速率的常数因子范围内。
• 在可信服务器假设下，对采用非编码放置的私有缓存基本极限进行了刻画。
• 该方案在存在合谋用户的情况下，仍保持编码多播增益并满足信息论隐私要求。
• 分析结果证实，可信服务器能够为私有D2D缓存问题提供一种实用且可证明最优的解决方案。