[论文解读] Fundamental Limits on Delivery Time in Cloud- and Cache-Aided Heterogeneous Networks

Jaber Kakar, Soheil Gherekhloo+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2017

Caching and Content Delivery参考文献 26被引用 4

一句话总结

本文通过使用具有两个边缘节点和两个用户的雾无线电接入网络（F-RAN）模型，建立了在云和缓存辅助的异构网络中每比特传输延迟（DTB）的基本极限。针对串行和并行传输模式，推导出DTB的紧致下界和上界，表明当回传容量较高时，并行传输下边缘缓存将变得过时，最优性通过在四类信道区域划分下对私有、公共和干扰消除信号进行联合速率分配实现。

ABSTRACT

A Fog radio access network is considered as a network architecture candidate to meet the soaring demand in terms of reliability, spectral efficiency, and latency in next generation wireless networks. This architecture combines the benefits associated with centralized cloud processing and wireless edge caching enabling primarily low-latency transmission under moderate fronthaul capacity requirements. The F-RAN we consider in this paper is composed of a centralized cloud server which is connected through fronthaul links to two edge nodes serving two mobile users through a Z-shaped partially connected wireless network. We define an information-theoretic metric, the delivery time per bit (DTB), that captures the worst-case per-bit delivery latency for conveying any requested content to the users. For the cases when cloud and wireless transmission occur either sequentially or in parallel, we establish coinciding lower and upper bounds on the DTB as a function of cache size, backhaul capacity and wireless channel parameters. Through optimized rate allocation, our achievability scheme determines the best combination of private, common signalling and interference neutralization that matches the converse. Our converse bounds use subsets of wireless, fronthaul and caching resources of the F-RAN as side information that enable a single receiver to decode either one or both users' requested files. We show the optimality on the DTB for all channel regimes. In case of serial transmission, the functional DTB-behavior changes at fronthaul capacity thresholds. In this context, we combine multiple channel regimes to classes of channel regimes which share the same fronthaul capacity thresholds and as such the same DTB-functional. In total, our analysis identifies four classes; in only three of those edge caching and cloud processing can provide nontrivial synergestic and non-synergestic performance gains.

研究动机与目标

• 刻画在F-RAN中传输延迟、缓存大小、回传容量和无线信道条件之间的基本权衡关系。
• 为串行和并行传输模式建立信息论意义上的DTB下界和上界。
• 基于回传容量阈值划分信道区域类别，并分析缓存与云处理之间的协同增益。
• 确定在并行回传-边缘传输下，边缘缓存何时因高回传容量而变得过时。

提出的方法

• 提出一种度量标准——每比特传输延迟（DTB），用于量化内容传输的最坏情况每比特时延。
• 采用反证边界方法，将部分回传、缓存和无线资源视为信道侧信息，以支持在用户之一或两者处进行解码。
• 通过在私有、公共和干扰消除信号之间进行优化的速率分配，推导出可实现方案。
• 基于回传容量阈值将信道区域划分为四类，识别协同增益出现的位置。
• 在并行传输下求解速率最大化问题，以确定最优角点速率分配。
• 应用基于互信息和熵的边界技术，推导出紧致的反证边界，并在文件大小 L → ∞ 的极限下进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有两个边缘节点和两个用户的云与缓存辅助F-RAN中，每比特传输延迟（DTB）的基本极限是什么？
• RQ2 回传容量阈值如何将信道划分为具有相同DTB函数行为的独立区域？
• RQ3 在哪些信道区域中，边缘缓存与云处理能提供非平凡的协同增益？
• RQ4 在何种条件下，边缘缓存在并行回传-边缘传输中变得过时？
• RQ5 DTB的函数形式在不同回传容量区域中如何变化？

主要发现

• 本文为串行和并行传输模式下的DTB建立了重合的下界和上界，证明了在所有信道区域中的最优性。
• 基于回传容量阈值识别出四类信道区域，其中仅三类能实现缓存与云处理的非平凡协同增益。
• 在并行传输情况下，当回传容量超过某一阈值时，无论缓存大小如何，边缘缓存均变得过时。
• 最优速率分配策略结合了私有、公共和干扰消除信号，以匹配反证边界。
• 在所有区域中，所推导的边界在文件大小趋于无穷大（L → ∞）时是紧致的，误差项随 ϵL → 0 而消失。
• 分析表明，干扰消除和公共信号传输在实现最优DTB中至关重要，尤其是在高容量回传区域中。