Multi-antenna coded caching for asymmetric content delivery

Abstract

Abstract

A notable increase in internet traffic is attributed to a surge of advanced services such as holographic teleportation, brain-computer interaction, digital twins, and extended reality (XR), especially in sectors such as entertainment, education, healthcare, and culture. To meet increased demands for high data rates and minimal latency, the integration of caching with edge computing has been explored, placing computing resources closer to users and pre-storing frequently used content. However, data-intensive XR applications present challenges due to storage and bandwidth limitations for caching resources.

In this thesis, a comprehensive cache utilization framework is introduced, integrating the advantages of location-aware coded caching, multi-antenna content delivery, and device-to-device communication (D2D). The challenges posed by data-intensive applications like wireless XR environments are addressed, where users consume multimedia content while actively engaging with their virtual surroundings. Particularly, a unified location-aware multi-antenna coded caching and content delivery scheme is proposed, comprising several key elements. Initially, a novel memory allocation process optimizes the cache placement by considering users' connectivity conditions, allocating larger cache portions to the contents requested in wireless connectivity bottlenecks. The asymmetric cache placement is then utilized to design efficient codewords that enable multi-rate transmissions using multicast and/or unicast beamformers during the delivery phase. The developed algorithms strike a balance between global and local cache gains, adapting to the dynamics of volatile wireless connectivity. As a result, users in areas with poor connectivity can be allocated smaller amounts of wireless resources during the delivery phase, while users in areas with better connectivity are served at higher rates.

To benefit from closely located users having non-overlapping cache content, a D2D integrated CC scheme is also investigated. Through a well-designed two-phase transmission strategy, local D2D content exchange precedes downlink (DL) transmission, yielding two key benefits. Firstly, localized data exchange between nearby users elevates the average delivery rate, alleviating the DL transmission phase's load. Secondly, DL beamforming complexity is significantly reduced, leading to a more efficient use of computational resources. In the D2D phase, a novel low-complexity algorithm selects optimal user subsets for content exchange, balancing performance and computational efficiency.

The proposed method is evaluated via simulation and mathematical analysis.

Tiivistelmä

Huomattava internet-liikenteen kasvu on liitetty edistyneiden palveluiden nousuun, kuten holografinen teleportaatio, aivo-tietokone -vuorovaikutus, digitaaliset kaksoiskappaleet ja laajennettu todellisuus (XR), erityisesti viihde-, koulutus-, terveys- ja kulttuurialoilla. Vastatakseen kasvaneeseen tarpeeseen korkeille datanopeuksille ja vähäiselle viiveelle, on tutkittu välimuistin integrointia reunatietokoneisiin, sijoittamalla laskentaresursseja lähemmäksi käyttäjiä ja ennakkosäilyttämällä usein käytettyä sisältöä. Kuitenkin datavetoiset XR-sovellukset asettavat haasteita varastoinnin ja kaistanleveyden rajoituksista johtuen välimuistiresursseille.

Tähän tarkoitukseen on tässä tutkimuksessa esitelty kattava välimuistin hyödyntämiskehys, joka yhdistää sijaintitietoisen koodatun välimuistin, moniantennilähetetyn sisällön toimituksen ja laitteesta laitteeseen -viestinnän (D2D) edut. Haasteet liittyen datavetoisiin sovelluksiin kuten langattomat XR-ympäristöt, missä käyttäjät kuluttavat multimediasisältöä samalla osallistuen aktiivisesti virtuaaliseen ympäristöönsä, ovat erityisesti käsittelyn kohteena. Erityisesti ehdotetaan yhtenäistä sijaintitietoista moniantennin koodattua välimuistia ja sisällön toimitusjärjestelmää, joka koostuu useista keskeisistä elementeistä. Aluksi uusi muistin allokaatioprosessi optimoi välimuistin sijoittelun ottaen huomioon käyttäjien yhteysolosuhteet, allokoimalla suurempia välimuistiosuuksia pyydetyille sisällöille langattomissa yhteyksien pullonkauloissa. Tämän jälkeen epäsymmetristä välimuistin sijoittelua käytetään tehokkaiden koodisanojen räätälöimiseksi käyttäjille sisällön toimituksen aikana. Kehitetyt algoritmit tasapainottavat globaalin ja paikallisen välimuistin hyötyjä sopeutuen epävakaan langattoman yhteyden dynamiikkaan. Tämä johtaa huonon yhteyden alueilla pienempien resurssien käyttöön, kun taas paremman yhteyden alueilla nopeudet ovat korkeampia

Jotta voitaisiin hyötyä lähellä olevista käyttäjistä, joilla on ei-päällekkäisiä välimuistisisältöjä, tutkitaan myös D2D-integroituja CC-järjestelmiä. Toteutettu urakaksivaiheinen siirtostrategia, jossa paikallinen D2D-sisällön vaihto tapahtuu ennen alalinkin (DL) tiedonsiirtoa, antaa merkittäviä etuja. Ensinnäkin paikallinen datan vaihto lähellä olevien käyttäjien kesken nostaa keskimääräistä toimitusnopeutta, helpottaen DL-vaiheen kuormitusta. Toiseksi DL-säteenmuodostuksen monimutkaisuus vähenee merkittävästi, mikä johtaa resurssien tehokkaampaan käyttöön. D2D-vaiheessa uusi vähäisen monimutkaisuuden algoritmi valitsee optimaaliset käyttäjäosajoukot sisällön vaihtoon, tasapainottaen suorituskykyä ja laskennallista tehokkuutta.