Caching in zukünftigen mobilen Netzwerken: Die Nutzung von Speicher zur Überwindung des Bandbreitenmangels

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Aydin Sezgin
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 388145982

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In künftigen drahtlosen Netzen erfordern die höheren Anforderungen der Nutzer an die Datenrate eine dichte mobile Infrastruktur. Insbesondere werden mehr Basisstationen benötigt, um die Anforderungen der Nutzer zu erfüllen. Dies wiederum stellt die Basisstationen vor die Aufgabe, zu entscheiden, wie sie die verfügbaren Ressourcen optimal zuweisen. Cloud and Fog Radio Access Networks (C-FRAN) werden daher als ein neuer Ansatz vorgeschlagen, der er ermöglicht, komplexe Rechenoperationen zentral auf leistungsstarken Servern im Backbone durchzUführen, um die begrenzte Rechenkomplexität der Basisstationen zu stärken. Somit werden die Basisstationen bei der Erfüllung gewünschter Aufgaben unterstützt, da die zentralen Server oder Clouds nicht nur die entsprechenden Datenbanken mit allen Dateien enthalten, sondern auch über mehr Rechenressourcen verfügen. In diesem Zusammenhang zielte das Projekt auf zwei wichtige Aspekte ab, nämlich • wie die notwendigen Berechnungen, die auf sensiblen Daten beruhen, unter Wahrung der Privatsphäre auf diese Server verteilt werden können und • wie die Latenzzeit bei der Bereitstellung der Daten aus den Clouds für die Nutzer minimiert werden kann. Aufgrund des Broadcast-Charakters des drahtlosen Mediums ist jedoch die Kommunikationsverbindung zwischen den Basisstationen und der Cloud, die als Backhaul/Fronthaul-Verbindung bezeichnet wird, durch bestimmte Raten- und Latenzbeschränkungen begrenzt. Die Methoden zur Untersuchung und Verringerung des Problems der begrenzten Backhaul Ratenbeschränkung in dem Projekt lassen sich in zwei komplementäre Ansätze unterteilen. Erstens, die Nutzung der Vorteile des Caching, d. h. die Speicherung beliebter Dateien (z. B. Videos) in den lokalen Caches der mobilen Nutzer und/oder in Edge Nodes (z.B. Basisstationen oder Relais), die im Netzabdeckungsbereich verteilt sind: So führt die lokale Verfügbarkeit von angeforderten Benutzerinhalten in den Caches, auch als Cache-Treffer bezeichnet, zu einem reduzierten Backhaul­Verkehr und einer geringen Dateilaufzeit. Zweitens, die Entwicklung von Systemen, die einen Abtausch zwischen der Nutzung der Backhaul-/Fronthaul­ Verbindungen und den erforderlichen verteilten Berechnungen auf den Cloud­Servern ermöglichen. Im Rahmen des Projekts haben wir die grundlegenden informationstheoretischen Grenzen in Bezug auf untere und obere Schranken für die sogenannte Delivery time untersucht. Anhand der Grenzen wurden Fälle identifiziert, in denen einfache Zero-Forcing- (ZF) und komplexere Interferenz­Alignment-Verfahren (IA) erforderlich waren. Darüber hinaus boten die entworfenen Schemata die Möglichkeit, das Forschungsproblem als mathematisches Optimierungsproblem zu formulieren, was Rateneffizienz im U plink und Downlink, Robustheit gegenüber leistungsschwachen Servern und sichere verteilte Berechnungen ermöglichte.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Delivery Time Minimization in Cache-Assisted Broadcast-Relay Wireless Networks with Imperfect CSI. 2018 IEEE 19th International Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications (SPAWC), 1-5. IEEE.
  Kakar, Jaber; Chaaban, Anas; Sezgin, Aydin & Paulraj, Arogyaswami
  
• Delivery Time Minimization in Edge Caching: Synergistic Benefits of Subspace Alignment and Zero Forcing. 2018 IEEE International Conference on Communications (ICC), 1-6. IEEE.
  Kakar, Jaber; Alameer, Alaa; Chaaban, Anas; Sezgin, Aydin & Paulraj, Arogyaswami
  
• Cache-Assisted Broadcast-Relay Wireless Networks: A Delivery-Time Cache-Memory Tradeoff. IEEE Access, 7(2019), 76833-76858.
  Kakar, Jaber; Alameer, Ahmad Alaa; Chaaban, Anas; Sezgin, Aydin & Paulraj, Arogyaswami
  
• On the Capacity and Straggler-Robustness of Distributed Secure Matrix Multiplication. IEEE Access, 7(2019), 45783-45799.
  Kakar, Jaber; Ebadifar, Seyedhamed & Sezgin, Aydin
  
• Uplink Cost Adjustable Schemes in Secure Distributed Matrix Multiplication. 2020 IEEE International Symposium on Information Theory (ISIT), 1124-1129. IEEE.
  Kakar, Jaber; Khristoforov, Anton; Ebadifar, Seyedhamed & Sezgin, Aydin
  
• Codes Trading Upload for Download Cost in Secure Distributed Matrix Multiplication. IEEE Transactions on Communications, 69(8), 5409-5424.
  Kakar, Jaber; Khristoforov, Anton; Ebadifar, Seyedhamed & Sezgin, Aydin