[论文解读] On the Placement Delivery Array Design for Coded Caching Scheme in D2D Networks

Jinyu Wang, Minquan Cheng+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2017

Caching and Content Delivery参考文献 17被引用 6

一句话总结

本文提出了一种新颖的D2D放置-删除数组（DPDA）框架，用于在设备到设备网络中设计具有最小传输速率和最小文件划分F的编码缓存方案。通过引入结构化数组表示，作者推导出速率和F的紧致下界，并构建了三类新的DPDA，同时达到这两个下界——与JCM等先前方案相比，尤其在M/N = 2/K和(K−2)/K时，显著降低了F。

ABSTRACT

The coded caching scheme is an efficient technique as a solution to reduce the wireless network burden during the peak times in a Device-to-Device (D2D in short) communications. In a coded caching scheme, each file block should be divided into $F$ packets. It is meaningful to design a coded caching scheme with the rate and $F$ as small as possible, especially in the practice for D2D network. In this paper we first characterize coded caching scheme for D2D network by a simple array called D2D placement delivery array (DPDA in shot). Consequently some coded caching scheme for D2D network can be discussed by means of an appropriate DPDA. Secondly we derive the lower bounds on the rate and $F$ of a DPDA. According these two lower bounds, we show that the previously known determined scheme proposed by Ji et al., (IEEE Trans. Inform. Theory, 62(2): 849-869,2016) reaches our lower bound on the rate, but does not meet the lower bound on $F$ for some parameters. Finally for these parameters, we construct three classes of DPDAs which meet our two lower bounds. Based on these DPDAs, three classes of coded caching scheme with low rate and lower $F$ are obtained for D2D network.

研究动机与目标

• 设计一种在D2D网络中具有最小传输速率和最小文件划分F的编码缓存方案。
• 使用一种新型组合结构——D2D放置-删除数组（DPDA）来建模编码缓存方案。
• 推导出任意基于DPDA的方案的速率R和文件划分F的理论下界。
• 构建显式DPDA，使其在特定M/N比下同时达到两个下界。
• 通过显著降低F而保持相同速率，改进JCM方案。

提出的方法

• 引入D2D放置-删除数组（DPDA）作为组合数组，用于表示D2D网络中的编码缓存方案。
• 推导出速率下界R ≥ N/M − 1，该下界与JCM方案的速率一致。
• 针对R = N/M − 1的DPDA，建立F的下界，表明当M/N = 2/K和(K−2)/K时，JCM的F并非最优。
• 提出三类DPDA的递归构造方法：一类用于偶数K = 2q，一类用于奇数K = 2q+1，一类用于K = 3, 5及更大的奇数K。
• 使用带索引符号（如i^{(j)}）的结构化矩阵块，并基于前序数组和向量的递归填充规则。
• 将编码缓存方案的设计问题转化为构造一个(R, L′, F, Z, S) DPDA，以实现最小速率R和最小F。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过组合数组结构系统地设计D2D编码缓存方案？
• RQ2 D2D编码缓存方案的速率R和文件划分F的理论下界是什么？
• RQ3 JCM方案是否在所有M/N比下均实现最优F，特别是当M/N = 2/K和(K−2)/K时？
• RQ4 能否构建出能同时达到R和F两个下界的新型DPDA？
• RQ5 在相同速率和参数下，与现有方案（如JCM）相比，F最多可降低多少？

主要发现

• 所提出的DPDA框架通过将问题转化为数组构造，实现了D2D网络中编码缓存方案的系统化设计。
• 推导出速率下界R ≥ N/M − 1，该下界紧致且与JCM方案的速率一致。
• 当M/N = 2/K时，JCM方案的F并非最优；所提构造在K = 2q时实现F = 2q(q−1)，相比JCM减少因子1/(2q−1)。
• 当M/N = (K−2)/K且K = 2q+1为奇数时，所提DPDA实现F = 4q² − 1，相比JCM减少因子1/q。
• 三类新型DPDA构造在指定M/N比下，同时达到R和F的理论下界。
• 结果表明，JCM方案的F在M/N = 2/K和(K−2)/K时非最优，所提方案在不增加速率的前提下显著提升了F的性能。