Vehicular Caching for Vehicle-to-Everything (V2X) Networks: Design, Analysis, and Evaluation : 차량통신(V2X) 네트워크를 위한 차량 캐싱: 설계, 분석 및 검증

국문 초록 (Abstract)

향후 이동통신 네트워크는 데이터 트래픽의 급격한 증가로 인해 이질성과 복잡성을 겪고 있으며, 이는 네트워크의 전반적인 성능 저하 가능성을 야기한다. 보다 이종적이고 밀도가 높은 네트워크 구성의 한계를 극복하기 위해, 최근의 몇몇 연구는 고급 무손실(rateless) 부호화 코딩 기술을 사용하여 저장용량을 활용하는 것에 중점을 두었다. 무선 캐싱은 캐싱 저장용량을 도입하여 셀룰러 네트워크의 트래픽 부담을 줄이고 대량의 유선 백홀(backhaul)을 배치하는데 소모되는 막대한 비용을 절감하는 유망 기술 중 하나이다. 유선장비를 절단하고 무선화하는 과정에서, 차량의 이동성을 고려함과 동시에 전송지연 및 데이터 전송률을 향상시키기 위해 캐싱 저장용량이 장착된 무선접속지점(access point)을 제공하는 역할로 모든 유형의 차량은 쉽게 활용될 수 있다.
본 학위논문에서는 기존 셀룰러 네트워크에서 전송지연을 견딜 수 있는 컨텐츠를 오프로딩 하는 이동성을 고려한 차량특화 캐싱 시스템을 설계하고 검증한다. 먼저 차량 캐싱의 저장공간에 컨텐츠를 다운로드 하기 위한 기술로써, 데이터를 우회하고 여러 홉(hop), 즉 양방향 코딩(TWC: two-way coding)을 결합하여 간섭을 직접적으로 이용하기 위한 새로운 간섭채널 내 다운로딩 기법을 제시한다. 제안하는 TWC 기법은 간섭링크가 두드러지게 강할 때 잠재적 성능 이득을 보이고, 이를 이론적 성능뿐만 아니라 구현적 성능으로 확인한다. TWC 기술은 원하는 정보를 우회하는데 좋은 링크 품질을 활용할 뿐만 아니라 미리 보유한 데이터, 즉 부차적인 정보를 사용하여 원하지 않는 정보를 제거함으로써 중요한 성능 향상을 가져온다. 또한, 연속적인 홉을 결합하여 구성된 송수신 TWC 기법을 실현하기 위한 채널상태 정보(CSI) 피드백 전략을 예시한다.
두 번째로, 차량 캐싱 네트워크에서 이동성의 영향을 확인하고, 전송지연이 허용 가능할 때 차량 캐싱의 이동성 정보를 활용하는 컨텐츠 배열 최적화 문제를 설정한다. 공간적으로 동등하지 않은 사용자 요구가 발생하는 도심 네트워크에서 서비스 품질(QoS)을 충족시키기 위해, 차량 캐싱 기법을 활용하는 새로운 데이터 캐싱 전략과 저장용량 업데이트 기법을 제안한다. 이러한 비균질성을 극복하기 위해 업데이트 전략을 적용한 차량 캐싱은 초기에는 대부분 도달 가능한 영역의 요구사항을 포함하는 사전 캐싱 기법을 사용하고, 차량의 이동경로에 따라 다음 대상 영역에서 발생하는 요구사항을 반영하여 차량의 저장용량을 순차적으로 업데이트한다. 도심 및 비도심 지형을 기반으로 하는 실험결과를 통해 지연 허용 가능 컨텐츠에 대한 개별적 요구가 있는 상황에서 제안하는 차량 캐싱 기법의 컨텐츠 전달 성능 QoS를 최대 2 배 향상하는 결과를 보인다. 또한, 컨텐츠 전달을 분산적으로 제어하는 것에 비해 중앙집중적으로 제어할 때, 그리고 랜덤 또는 기존 고정된 캐싱 기법에 비해 제안하는 최적화 캐싱 기법을 쓸 때 높은 QoS 성능을 제공함을 결과로 검증한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Mobile networks are experiencing heterogeneity and intricacy by the avalanche of data traffic, which bring about the possibility of overall performance degradation.
In order to overcome the limitation from more heterogeneous and denser network configurations, some recent researches have focused on harnessing storages using advanced rateless coding techniques.
Wireless caching is one of the promising technologies to mitigate the traffic burden of cellular networks and the large cost of deploying higher volume of wired backhaul by introducing caching storage.
In the way of cutting wired equipments, all types of vehicles can be readily leveraged as serving access points with caching storage, where their moving nature should be taken into account to improve latency and data throughput.

In this dissertation, we consider a mobility-aware vehicular caching which has a role to offload delay-tolerable contents from cellular networks.
We first clarify contents downloading techniques on interference channels, as a novel idea for directly harnessing interferences by data-detouring and coupling several hops, so-called two-way coding (TWC).
The proposed TWC techniques with respect to their implementation are verified as potential performance gains when the interference links are prominently strong.
TWC techniques have crucial performance gains by not only exploiting good (interference) link qualities for detouring desired information but also removing undesired information using pre-owned data, namely, side-information.
Furthermore, we exemplify channel state information (CSI) feedback strategies to realize TWC regarding the transceivers constructed by coupling successive hops.

Second, we represent the influence of mobility in cellular caching networks, then set the mobility-aware optimization problem of vehicular caching to carry on delay-tolerable contents.
A new data caching strategy for harnessing vehicles is proposed to meet quality-of-service (QoS) in urban networks where spatially non-homogeneous user demands are generated.
To overcome this non-homogeneity, the proposed vehicular caching with updating strategy utilises proactive caching on vehicles where cached data mostly include the demands from reachable areas, and sequentially updating vehicles' storage for next target areas along the moving routes.
Trace-driven numerical results based on rural and urban topographies show that, in presence of individual demand for delay-tolerable contents, the proposed vehicular caching scheme enhances the quality-of-service (QoS) (maximally twofold) relying on the contents delivery being centrally or distributedly controlled.
Also, we demonstrate that the proposed strategy offers higher QoS performances than those of random or conventional caching schemes.