Churn-proof Wireless Caching with D2D Communication
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2018-02-12
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2018
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
80 + app. 72
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 7/2018
Abstract
Popular data objects will be cached close to end-users in future wireless networks. Both distributed storage and inter-user communication in wireless systems alongside caching can be utilized to increase the performance of such networks compared to traditional server-client based approaches. This holds true especially when users are clustered in certain geographical areas forming local caching communities, and when user equipment can be used to store and distribute data, which decreases the backhaul load and increases overall energy-efficiency. Energy-efficiency is a key performance metric in modern wireless networks where enormous amounts of information must be transmitted between a large number of devices. The research of this thesis contributes to the study of wireless caching with inter-user communication especially in terms of energy-efficiency. The aim is to minimize the expected overall energy consumption of the cellular system. The joint use of Device-to-Device (D2D) communication and erasure coding for Distributed Storage Systems (DSS) is shown to protect cached data against mobile churn, which increases the energy-efficiency of the system. This is mainly due to the fact that erasure coding provides protection against data loss in caching communities, which in turn decreases the need of contacting remote base stations. Besides coded wireless D2D caching, the statistics of caching for maximal byte hit rates as well as inter-user communication with message forwarding have been studied in detail. The statistical approach to cache sizing takes both file popularities and file sizes into account when designing the cache so that the expected amount of traffic from the cache is maximized, thus alleviating the strain on the origin server. The multihop message forwarding technique decodes functions of transmitted messages so that the probability of a decoding failure vanishes. Numerical simulations are used to verify the theoretical calculations. Both theoretical calculations and simulation results indicate that the use of erasure coding has the potential to drastically decrease the energy consumption when appropriate coding methods are used.Tulevaisuuden langattomissa verkoissa tietoa tallennetaan entistä lähempänä loppukäyttäjiä. Niin hajautettu tiedontallennus, käyttäjien välinen tietoliikenne kuin langattomat välimuistitkin parantavat verkkojen suorituskykyä perinteiseen palvelinten ja käyttäjien väliseen tietoliikenteeseen verrattuna. Tämä pätee varsinkin silloin, kun mobiilikäyttäjät ovat kerääntyneet suhteellisen pienelle maantieteelliselle alueelle muodostaen paikallisia välimuistiyhteisöjä. Kun nämä yhteisöt tallentavat ja jakavat tietoa keskenään, tukiasemien kuorma pienenee ja energiatehokkuus paranee. Energiatehokkuus on oleellinen nykyaikaisten langattomien verkkojen suorituskyvyn mittari. Nykyisissä langattomissa verkoissa liikkuu valtavat määrät tietoa lukuisten laitteiden välillä. Tässä väitöskirjassa tutkitaan langatonta käyttäjien välistä tietoliikennettä eritoten energiatehokkuuden näkökulmasta. Tavoitteena on verkon kokonaisvaltaisen tehonkulutuksen odotusarvon minimointi. Laitteiden välinen tietoliikenne (Device-to-Device communication, D2D) ja hajautettujen tiedontallennusjärjestelmien (Distributed Storage Systems, DSS) pyyhkiymäkoodauksen on osoitettu suojaavan tietoa mobiilia käyttäjäliikennettä vastaan. Tämä puolestaan lisää järjestelmän energiatehokkuutta, sillä kun tieto pysyy tallennettuna käyttäjäyhteisössä, tukiaseman linkkiä joudutaan kuormittamaan entistä vähemmän. Koodattujen langattomien välimuistien lisäksi tässä väitöskirjassa tutkitaan maksimaalista tavuosumanopeutta järjestysstatiikoiden avulla sekä käyttäjienvälisen tietoliikenteen edelleenvälistystekniikoita. Tässä työssä sekä tiedon suosio että tiedostojen koko otetaan huomioon välimuistien suunnittelussa. Välimuistien tarvittava tallennuskapasiteetti lasketaan siten, että kuormaa siirretään tallennuspalvelimilta välimuisteille mahdollisimman paljon, jolloin runkoverkon kuorma minimoituu. Tiedon edelleenvälityksessä käytetään monihyppytekniikoita, joissa dekoodataan lähetettyjen viestien funktioita siten, että dekoodausvirheen todennäköisyys lähestyy nollaa lähetysnopeuden lähestyessä nollaa. Työn teoreettiset tulokset on vahvistettu numeerisilla simulaatioilla. Sekä teoreettiset laskelmat että simulaatiot osoittavat, että pyyhkiymäkoodauksella on potentiaalia parantamaan langattomien verkkojen energiatehokkuutta huomattavasti silloin, kun koodausmenetelmät on soveliaasti valittu.Description
Supervising professor
Tirkkonen, Olav, Prof., Aalto University, Department of Communications and Networking, FinlandThesis advisor
Hollanti, Camilla, Prof., Aalto University, Department of Mathematics and Systems Analysis, FinlandKeywords
caching, D2D communication, välimuistit, käyttäjien välinen kommunikointi
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Joonas Pääkkönen, Camilla Hollanti, Olav Tirkkonen. Device-to-Device Data Storage for Mobile Cellular Systems. In Proc. IEEE Globecom Workshops, Atlanta, USA, pp. 671–676, Dec. 2013.
DOI: 10.1109/GLOCOMW.2013.6825065 View at publisher
-
[Publication 2]: Joonas Pääkkönen, Camilla Hollanti, Olav Tirkkonen. Device-to-Device Data Storage with Regenerating Codes. In Proc. 8th International Workshop on Multiple Access Communications (MACOM), Espoo, Finland, pp. 57–69, Sept. 2015.
DOI: 10.1007/978-3-319-23440-3_5 View at publisher
- [Publication 3]: Joonas Pääkkönen, Amaro Barreal, Camilla Hollanti, Olav Tirkkonen. Coded Caching Clusters with Device-to-Device Communications. Submitted to Trans. Mobile Computing, Mar. 2017.
- [Publication 4]: Joonas Pääkkönen, Prathapasinghe Dharmawansa, Ragnar Freij-Hollanti, Camilla Hollanti, Olav Tirkkonen. Maximal Byte Hit Rate Cache Allocations and Latent Variable Distributions of Order Statistics. Submitted to IEEE Trans. Networking, Sept. 2017.
-
[Publication 5]: Amaro Barreal, Joonas Pääkkönen, David Karpuk, Camilla Hollanti, Olav Tirkkonen. A Low-Complexity Message Recovery Method for Computeand-Forward Relaying. In Proc. IEEE Inf. Theory Workshop (ITW) Work-List of Publications shops, Jeju, Korea, pp. 39–43, Oct. 2015.
DOI: 10.1109/ITWF.2015.7360730 View at publisher