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多AP多天线WLAN中的编码缓存最优公平调度研究
作者及机构
本研究的作者包括Kagan Akcay、Mohammadjavad Salehi、Antti Tölli和Giuseppe Caire。Kagan Akcay和Giuseppe Caire来自德国柏林工业大学的电气工程与计算机科学系，Mohammadjavad Salehi和Antti Tölli则来自芬兰奥卢大学的无线通信中心（CWC）。该研究于2023年发表在IEEE的Asilomar会议上。
学术背景
随着多媒体应用的快速发展，网络数据流量急剧增加，如何更高效地利用现有网络资源成为亟待解决的问题。编码缓存（Coded Caching, CC）技术通过利用网络中用户的累积缓存内存，显著提升了数据交付效率，超越了传统的非编码缓存方案。此外，编码缓存增益还可以与多天线传输的空间复用增益相结合，进一步提升网络性能。本研究在多接入点（AP）无线局域网（WLAN）中，假设AP节点配备多天线发射器，扩展了编码缓存辅助数据交付的现有研究成果，并提出了两种利用多天线资源的传输策略。
研究流程
1. 系统模型构建
研究基于广播/碰撞模型，假设一个服务器通过多个多天线AP节点为多个单天线用户提供服务。每个AP节点能够实现空间复用增益α，且所有AP的传输和干扰半径相同。用户只有在满足以下条件时才能成功解码AP发送的消息：1）位于AP的传输半径内；2）不在其他活跃AP的干扰半径内，除非干扰被波束成形技术抑制。
系统操作分为两个阶段：缓存放置阶段和数据交付阶段。在缓存放置阶段，采用去中心化缓存复制算法，将用户随机分配到有限的缓存配置文件中。在数据交付阶段，服务器根据用户的请求生成传输向量，并通过选择的活跃AP发送。
传输策略设计
研究提出了两种利用多天线资源的传输策略：
数值模拟与性能比较
研究通过数值模拟比较了单输入单输出（SISO）和多输入单输出（MISO）传输方案的性能。模拟假设AP位于有限六边形网格的中心，用户根据泊松点过程分布在AP的传输范围内。模拟结果表明，MISO方案由于利用了多天线资源，性能显著优于SISO方案。此外，缓存拥塞控制方法在大多数情况下优于干扰减少方法，特别是在用户数量与缓存配置文件数量的比值较低时。
主要结果
1. 干扰减少策略
该策略通过抑制AP对特定用户的干扰，允许更多用户同时被服务。模拟结果显示，干扰减少策略在提升网络吞吐量方面表现出色，尤其是在用户密集的网络环境中。
缓存拥塞控制策略
该策略通过消除具有相同缓存内容的用户之间的流间干扰，使这些用户能够同时被服务。模拟结果表明，缓存拥塞控制方法在大多数情况下优于干扰减少方法，特别是在用户数量与缓存配置文件数量的比值较低时。
最优选择策略
研究还提出了一种最优选择策略，即在每个时间单位内选择干扰减少或缓存拥塞控制中性能更优的策略。模拟结果显示，最优选择策略在大多数情况下接近缓存拥塞控制方法的性能，尤其是在缓存配置文件数量与用户数量的比值适中时。
结论
本研究通过在多AP多天线WLAN中引入编码缓存技术，并提出了两种利用多天线资源的传输策略，显著提升了网络性能。干扰减少策略通过抑制干扰，允许更多用户同时被服务；缓存拥塞控制策略通过消除流间干扰，使具有相同缓存内容的用户能够同时被服务。数值模拟结果表明，MISO方案由于利用了多天线资源，性能显著优于SISO方案，且缓存拥塞控制方法在大多数情况下优于干扰减少方法。这些发现为未来多AP网络的设计和优化提供了重要参考。
研究亮点
1. 创新性传输策略：提出了干扰减少和缓存拥塞控制两种利用多天线资源的传输策略，显著提升了网络性能。
2. 多天线增益结合：将编码缓存增益与多天线传输的空间复用增益相结合，为多AP网络的设计提供了新思路。
3. 数值模拟验证：通过详细的数值模拟，验证了所提出策略的有效性，并比较了不同策略的性能差异。
未来工作
未来的研究可以进一步探索以下方向：1）不同AP独立选择传输策略的可能性；2）在空间复用增益较大的情况下，混合使用多种传输策略的可行性；3）在实际网络环境中验证所提出策略的性能。这些研究将进一步扩展多AP网络的吞吐量区域，并为未来网络优化提供更多可能性。
这篇报告详细介绍了研究的背景、方法、结果和意义，为相关领域的研究者提供了全面的参考。