This work elevates coded caching networks from their purely information-theoretic framework to a stochastic setting, by exploring the effect of random user activity and by exploiting correlations in the activity patterns of different users. In particular, the work studies the $K$-user cache-aided broadcast channel with a limited number of cache states, and explores the effect of cache state association strategies in the presence of arbitrary user activity levels; a combination that strikes at the very core of the coded caching problem and its crippling subpacketization bottleneck. We first present a statistical analysis of the average worst-case delay performance of such subpacketization-constrained (state-constrained) coded caching networks, and provide computationally efficient performance bounds as well as scaling laws for any arbitrary probability distribution of the user-activity levels. The achieved performance is a result of a novel user-to-cache state association algorithm that leverages the knowledge of probabilistic user-activity levels. We then follow a data-driven approach that exploits the prior history on user-activity levels and correlations, in order to predict interference patterns, and thus better design the caching algorithm. This optimized strategy is based on the principle that users that overlap more, interfere more, and thus have higher priority to secure complementary cache states. This strategy is proven here to be within a small constant factor from the optimal. Finally, the above analysis is validated numerically using synthetic data following the Pareto principle. To the best of our understanding, this is the first work that seeks to exploit user-activity levels and correlations, in order to map future interference and design optimized coded caching algorithms that better handle this interference.


翻译:这项工作通过探索随机用户活动的影响,利用不同用户活动模式的关联性,将纯粹信息理论框架的编码化缓冲网络提升为随机性环境。 特别是,以数量有限的缓存状态对K$用户缓存辅助广播频道的研究,并探索在任意用户活动水平上隐藏州联战略的影响; 一种对代码化缓存问题的核心及其瘫痪的亚包装化瓶颈的组合。 我们首先对此类亚包装化(国家受限制)限制的(州受限制)断层网络的平均最坏情况延缓性能进行统计分析, 并提供计算高效的性能约束性功能, 以及针对用户活动水平的任何任意概率分布制定法律。 实现的性能是使用新颖的用户对缓存状态联系算的结果, 利用对易腐蚀性用户活动水平的了解。 我们随后采用一种数据驱动的方法, 利用用户活动水平和关联性( ) 利用以往的小程序, 以便预测干扰性( 州) ( 州受约束的) 节略的( ) 调), 并以此更好地设计数据序列分析。

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