Joint memory and radio resource optimization in cache-aided multi-antenna communications

Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Programme Committee of Information Technology and Electrical Engineering of the University of Oulu for public defence in the OP auditorium (L10), Linnanmaa, on 23 April 2026, at 12 noon

Abstract

The rapid growth of global internet traffic in recent years has underscored the need for more efficient data delivery methods, due to the rising use of high-bandwidth applications such as video streaming, cloud computing, online gaming, and real-time communication. As a result, modern networks face increasing challenges in meeting demands for speed, scalability, and robustness to user heterogeneity. This thesis addresses these challenges by optimizing the usage of the distributed memory across the network and managing the radio resource allocation in cache-aided multi-input single-output (MISO) setups.

The first part of the thesis addresses the dynamicity challenge in cache-aided networks, while the server has direct access to the centralized data library. In dynamic networks, users can join or leave the network at any time, and the server has no prior knowledge of the active user count. This dynamic behavior calls for a transmission protocol that supports an arbitrary number of users. To this end, we propose a universal framework based on coded caching (CC), designed for cache-aided networks with a dynamic population of users. The content placement phase is designed based on users’ cache ratios rather than their number, and each user is assigned a caching profile upon entry. Accordingly, the delivery phase is designed to maximize the achievable degrees of freedom. To further reduce delivery latency at finite signal-to-noise ratio (SNR), we introduce a flexible subpacketization scheme that adjusts data fragment sizes according to cache profile imbalances, increasing the number of users served per transmission.

The second part of the thesis studies the multi-user information retrieval (MIR) in networks with distributed data, in which the base station (BS) lacks direct access to the data library and functions as an amplify-and-forward relay. The proposed MIR model is inspired by a CC-based uplink (UL)–downlink (DL) mechanism. In the UL phase, users transmit data fragments to the BS, which linearly combines these inputs to generate DL transmissions. To minimize delivery latency, UL and DL resources are optimized by decoupling the end-to-end optimization problem into two subproblems. UL parameters are first optimized to reinforce the uplink, then used in the DL to minimize end-to-end delivery time. By tuning the spatial multiplexing factor with respect to the SNR, the proposed MIR model outperforms existing approaches, effectively leveraging both spatial multiplexing and CC gains across the UL and DL phases.Tiivistelmä

Viime vuosien nopea globaali internetliikenteen kasvu on korostanut tarvetta tehokkaammille tiedonsiirtomenetelmille. Tämä kehitys johtuu suurikaistaisiin sovelluksiin, kuten videostriimaukseen, pilvilaskentaan, verkkopelaamiseen ja reaaliaikaiseen viestintään, kohdistuvan käytön lisääntymisestä. Tämän seurauksena nykyaikaiset verkot kohtaavat yhä suurempia haasteita nopeuden, skaalautuvuuden ja luotettavuuden vaatimusten täyttämisessä. Nämä kehityssuunnat korostavat edistyneiden välimuistiratkaisujen ja tiedonhakumenetelmien merkitystä vakaiden ja responsiivisten verkkosuorituskykyjen varmistamiseksi. Tämä väitöskirja käsittelee näitä haasteita tarkastelemalla monikäyttäjätiedonhakua (MIR) välimuistia hyödyntävissä MISO-järjestelmissä, joissa data voi sijaita keskitetysti tai hajautetusti verkossa.

Keskitetyissä järjestelmissä käyttäjät voivat liittyä verkkoon tai poistua siitä milloin tahansa, eikä palvelimella, joka on yhteydessä tietokirjastoon, ole ennakkotietoa aktiivisten käyttäjien määrästä. Tämä dynaamisuus edellyttää siirtoprotokollaa, joka tukee mielivaltaista käyttäjämäärää. Tähän esitetään coded caching -tekniikkaan (CC) perustuva yleispätevä kehys, joka on suunniteltu dynaamisille, välimuistia hyödyntäville verkoille. Sisällön sijoittelu perustuu käyttäjien välimuistiosuuksiin eikä lukumäärään, ja jokaiselle käyttäjälle määritetään välimuistiprofiili. Tiedonsiirto optimoidaan maksimoimaan saavutettavat vapausasteet. Lisäksi toimitusviivettä vähennetään esittämällä joustava aliositusmenetelmä, joka säätää datapalojen kokoa välimuistiprofiilien epätasapainon mukaan ja lisää samalla palveltavien käyttäjien määrää.

Hajautetuissa verkoissa, joissa tukiasemalla (BS) ei ole suoraa pääsyä tietokirjastoon, käytetään CC-pohjaista ylälinkki–alalinkki (UL–DL) -rakennetta. UL-vaiheessa käyttäjät lähettävät datansa BS:lle, joka yhdistelee ne lineaarisesti DL-lähetyksiksi. Toimitusviivettä minimoidaan optimoimalla UL- ja DL-resurssit erikseen: ensin optimoidaan UL-parametrit, jotka siirretään DL-optimointiin. SNR:n mukaan säädettävä tilallinen multipleksauskerroin mahdollistaa ehdotetun MIR-mallin suoriutumisen paremmin kuin aiemmat ratkaisut yhdistämällä tilallisen multipleksauksen ja CC-hyödyt molemmissa vaiheissa.