[论文解读] Optimization and Analysis of Probabilistic Caching in $N$-tier Heterogeneous Networks

Kuikui Li, Chenchen Yang+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2016

Caching and Content Delivery参考文献 28被引用 9

一句话总结

该论文提出了一种基于随机几何的N层异构网络中概率缓存的优化框架，推导出可计算的成功传输概率（SDP）表达式。证明了缓存优化问题为凸问题，并揭示了基站（BS）密度与缓存大小之间存在幂律缓存权衡关系，且性能受限于等效单层网络。

ABSTRACT

In this paper, we study the probabilistic caching for an $N$-tier wireless heterogeneous network (HetNet) using stochastic geometry. A general and tractable expression of the successful delivery probability (SDP) is first derived. We then optimize the caching probabilities for maximizing the SDP in the high signal-to-noise ratio (SNR) regime. The problem is proved to be convex and solved efficiently. We next establish an interesting connection between $N$-tier HetNets and single-tier networks. Unlike the single-tier network where the optimal performance only depends on the cache size, the optimal performance of $N$-tier HetNets depends also on the BS densities. The performance upper bound is, however, determined by an equivalent single-tier network. We further show that with uniform caching probabilities regardless of content popularities, to achieve a target SDP, the BS density of a tier can be reduced by increasing the cache size of the tier when the cache size is larger than a threshold; otherwise the BS density and BS cache size can be increased simultaneously. It is also found analytically that the BS density of a tier is inverse to the BS cache size of the same tier and is linear to BS cache sizes of other tiers.

研究动机与目标

• 通过智能缓存缓解密集5G异构网络（HetNets）中的回传容量负担和高部署成本。
• 探究是否可通过增加缓存存储来降低基站（BS）部署成本，识别其内在权衡关系。
• 在高信噪比（SNR）场景下，优化缓存概率以最大化成功传输概率（SDP）。
• 建立多层HetNets与等效单层网络之间的分析联系，推导性能边界。

提出的方法

• 使用随机几何建模N层HetNets，采用泊松点过程描述基站位置。
• 在概率缓存下推导出成功传输概率（SDP）的一般性、可计算表达式。
• 在高信噪比（SNR）场景下，将SDP最大化问题重新表述为凸优化问题。
• 引入等效单层网络模型，为N层HetNets建立性能上界。
• 通过推导基站密度、缓存大小与传输功率之间的关系，分析密度-缓存权衡关系。
• 应用数学分析与不等式，证明优化问题的单调性与凸性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何优化概率缓存以在N层HetNets中最大化成功传输概率（SDP）？
• RQ2 在多层HetNets中，基站密度与缓存大小之间的基本权衡关系是什么？
• RQ3 N层HetNets的性能与等效单层网络相比如何？
• RQ4 在何种条件下，通过增加某一层的缓存大小可减少基站部署？
• RQ5 缓存概率与系统参数如何相互作用以影响网络性能？

主要发现

• 证明了最大化SDP的优化问题为凸问题，可实现高效且全局最优的求解。
• N层HetNets的最优性能不仅依赖于缓存大小，还依赖于基站密度，这与单层网络不同。
• 通过等效单层网络确定了性能上限，为系统设计提供了基准参考。
• 当缓存大小超过某一阈值时，增加缓存大小可降低基站密度以维持目标SDP。
• 基站密度与本层缓存大小成反比，与其它层缓存大小成正比。
• 在不考虑内容受欢迎程度的均匀缓存概率下，系统实现功率-缓存权衡，可通过缓存实现成本降低。