Optimal Content Management and Dimensioning in Wireless Networks

by Jonatan Krolikowski

Doctoral thesis in Réseaux, information et communications

Under the supervision of Marco Di Renzo.


  • Abstract

    The massive increase in cellular traffic poses serious challenges to all actors concerned with wireless content delivery. While network densification provides access to additional users, high-speed and high-capacity backhaul connections are expensive. Caching popular content at the network edge promises to offload user traffic from these congestion prone connections as well as from the data centers in the backbone network. This thesis proposes a business model in which a mobile network operator (MNO) pre-installs and maintains caches at its wireless equipment (Cache-equipped Base Stations, CBSs). Memory space together with computational capabilities is then leased to content providers (CPs) that want to bring their content closer to the user. For a financial compensation, a CP can then offload traffic from its data center and improve user Quality of Service. The CP makes content placement decisions based on predictive user traffic and content popularity data. In the delivery phase, users can be served from the caches in case they are associated to stations that have the requested content cached. This work investigates three aspects of the proposed business model: The first research question focuses on user association as a central element to the edge caching scheme. Cache-aware user association policies can allow for users in coverage overlap areas to be associated to a CBS that holds the requested content rather than conventionally to the one that provides the strongest signal. The thesis proposes an original decentralized algorithm for user association called Generalized Bucket-filling that allows gains beyond maximizing the hit ratio. Performance metrics such as network throughput and load balancing of users among CBSs are taken into account. Experiments show that cache-aware user association a) increases the hit ratio b) without overloading single CBSs while c) providing high system throughput. The second problem treated considers a single CP that needs to decide how much cache space to lease at each CBS for a fixed price, and what content to place. Its choices should be based on estimates of file popularity as well as MNO user association policy. The cache leasing and content placement problem is formulated as a non-linear mixed-integer problem (NLMIP). In its solution, the problem is separated into a linear discrete CP subproblem and a nonlinear continuous subproblem using Benders decomposition. The CP and the MNO cooperate, helping the CP to make optimal decisions that benefit both parties: The CP maximizes its savings from caching while the MNO can find the optimal cache price and receive the maximum financial compensation. A third research question widens the focus to the interaction between several CPs and one MNO. Now, the MNO does not set a fixed price per memory unit but instead reacts to CP demands for memory space that depend on the savings they can achieve from caching.

  • Alternative Title

    Gestion de contenu optimale et dimensionnement de mémoire dans les réseaux sans fil


  • Abstract

    L'augmentation massive du trafic cellulaire pose de sérieux défis à tous les acteurs concernés par la diffusion de contenu sans fil. Alors que la densification du réseau permet d’accéder à des utilisateurs supplémentaires, les liaisons de transport à grande vitesse et à grande capacité sont coûteuses. La mise en cache du contenu populaire en bordure du réseau permettra de décharger le trafic utilisateur de ces connexions, susceptibles d'être encombrées, ainsi que des centres de données du réseau fédérateur. Cette thèse propose un modèle économique dans lequel un opérateur de réseau mobile (Mobile Network Operator, MNO) pré-installe et entretient des caches sur son équipement sans fil (stations de base avec cache, CBS). L’espace mémoire ainsi que les capacités de calcul sont ensuite loués aux fournisseurs de contenu (CP) qui souhaitent rapprocher leur contenu de l'utilisateur. Pour une compensation financière, un CP peut alors décharger le trafic de son centre de données et améliorer la qualité de service des utilisateurs. Le CP prend des décisions de placement de contenu en fonction des données prédictives sur le trafic des utilisateurs et la popularité du contenu. Dans la phase de livraison, un utilisateur peut être desservi à partir des caches pour le cas où il serait associé à une station sur laquelle le contenu demandé est mis en cache. Ce travail examine trois aspects du modèle économique proposé : La première question de recherche porte sur l'association des utilisateurs en tant qu'élément central du schéma de mise en cache à la bordure du réseau. Les stratégies d'association des utilisateurs prenant en compte le cache peuvent permettre aux utilisateurs dans des zones de chevauchement de couverture d'être associés à une CBS contenant le contenu demandé plutôt que conventionnellement à celui qui fournit le signal le plus puissant. La thèse propose un algorithme décentralisé original pour une association d'utilisateurs appelée Generalized Bucket-filling qui permet des gains au-delà de la maximisation du taux de réussite. Les mesures de performance telles que le débit du réseau et l'équilibrage de la charge des utilisateurs parmi les CBS sont prises en compte. Les expériences montrent que l'association des utilisateurs au cache augmente le taux de réussite sans surcharger les CBS uniques tout en fournissant un débit élevé du système. Le deuxième problème traité concerne un seul CP qui doit décider de l'espace de cache à louer à chaque CBS pour un prix fixe et du contenu à placer. Ses choix doivent être basés sur des estimations de la popularité des fichiers ainsi que sur la politique d'association des utilisateurs du MNO. Le problème de leasing et de placement du contenu du cache est formulé sous la forme d'un problème non linéaire mixte en nombres entiers (NLMIP). Dans sa solution, le problème est séparé en un sous-problème linéaire discret et un sous-problème continu non linéaire utilisant la décomposition de Benders. Le CP et le MNO coopèrent, aidant le CP à prendre des décisions optimales qui profitent aux deux parties : Le CP maximise ses économies grâce à la mise en cache tandis que le MNO peut trouver le prix de cache optimal et recevoir la compensation financière maximale. Une troisième question de recherche élargit la portée de l'interaction entre plusieurs CPs et un opérateur de réseau mobile. Désormais, le MNO ne fixe pas de prix fixe par unité de mémoire, mais réagit aux demandes des CPs en matière d'espace mémoire en fonction des économies réalisées grâce à la mise en cache.


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