Churn-proof Wireless Caching with D2D Communication

Joonas Pääkkönen

Churn-proof Wireless Caching with D2D Communication

Julkaisun otsikon käännös: Käyttäjäliikenteeltä suojatut langattomat D2D-välimuistit

Joonas Pääkkönen

Tutkimustuotos: Doctoral Thesis › Collection of Articles

Abstrakti

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.

Julkaisun otsikon käännös	Käyttäjäliikenteeltä suojatut langattomat D2D-välimuistit
Alkuperäiskieli	Englanti
Pätevyys	Tohtorintutkinto
Myöntävä instituutio	Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja	Tirkkonen, Olav, Vastuuprofessori Hollanti, Camilla, Ohjaaja
Kustantaja	Aalto University
Painoksen ISBN	978-952-60-7798-7
Sähköinen ISBN	978-952-60-7799-4
Tila	Julkaistu - 2018
OKM-julkaisutyyppi	G5 Artikkeliväitöskirja

Tutkimusalat

välimuistit
käyttäjien välinen kommunikointi

YK:n kestävän kehityksen tavoitteet

Tämä tuotos edistää seuraavia kestävän kehityksen tavoitteita:

Pääsy asiakirjaan

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-7799-4Lisenssi: Määrittelemätön

Siteeraa tätä

@phdthesis{499d020f4c05442cba82f7232939e13a,

title = "Churn-proof Wireless Caching with D2D Communication",

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.",

keywords = "caching, D2D communication, v{\"a}limuistit, k{\"a}ytt{\"a}jien v{\"a}linen kommunikointi, caching, D2D communication",

author = "Joonas P{\"a}{\"a}kk{\"o}nen",

year = "2018",

language = "English",

isbn = "978-952-60-7798-7",

series = "Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS",

publisher = "Aalto University",

number = "7",

address = "Finland",

school = "Aalto University",

}

TY - BOOK

T1 - Churn-proof Wireless Caching with D2D Communication

AU - Pääkkönen, Joonas

PY - 2018

Y1 - 2018

N2 - 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.

AB - 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.

KW - caching

KW - D2D communication

KW - välimuistit

KW - käyttäjien välinen kommunikointi

KW - caching

KW - D2D communication

M3 - Doctoral Thesis

SN - 978-952-60-7798-7

T3 - Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS

PB - Aalto University

ER -

Churn-proof Wireless Caching with D2D Communication

Abstrakti

Tutkimusalat

YK:n kestävän kehityksen tavoitteet

Pääsy asiakirjaan

Sormenjälki

Siteeraa tätä