밀리미터파·마이크로파 하이브리드 네트워크를 위한 최적 캐시 배치 전략

1. 서론 5G 시대의 초고속·초저지연 요구에 따라 mmWave와 기존 µWave가 병행 운영되는 하이브리드 네트워크가 제안된다. 이러한 환경에서 트래픽 급증을 완화하고 백홀 부하를 감소시키기 위해 베이스 스테이션(BS) 수준에서의 무선 엣지 캐시가 핵심 기술로 부상한다. 본 논문은 이러한 하이브리드 네트워크에서 파일 캐시 배치를 최적화하여 평균 성공 확률(ASP)을 극대화하는 문제를 다룬다. 2. 관련 연구 무선 캐시 분야에서는 인기 기반 최적 캐시, D2D 캐시, MIMO 환경에서의 캐시 최적화 등이 연구되었으며, mmWave 시스템에서는 블록킹 모델링, 빔포밍, 경로 손실 모델 등이 활발히 진행되었다. 그러나 mmWave와 µWave가 결합된 네트워크에서 캐시 배치를 동시에 고려한 연구는 부족하였다. 3. 시스템 모델 - 네트워크: mmWave BS와 µWave BS를 각각 PPP Φ_m(λ_m), Φ_µ(λ_µ) 로 모델링하고, 사용자는 PPP Φ_u(λ_u) 로 가정한다. - 캐시: 각 BS는 C_m, C_µ 개의 파일을 저장할 수 있으며, 파일은 동일 크기 B 비트이다. 파일 인덱스 i∈{1,…,L}는 Zipf(ν) 분포 f_i 로 요청된다. - 캐시 배치: 각 파일 i에 대해 BS가 해당 파일을 저장할 확률 π_i (0≤π_i≤1) 로 정의하고, 모든 BS는 동일한 π_i 를 사용한다. 따라서 파일 i를 저장한 BS 집합은 PPP 강도 λ_j·π_i 로 표현된다. - 블록킹: LOS 확률 p_L(r)=e^{-βr}, NLOS 확률 p_N(r)=1-e^{-βr} 로 거리 r에 따라 정의한다. - 빔포밍: 섹터형 안테나 모델을 사용해 메인 로브 이득 G_M, 사이드 로브 이득 G_m, 빔폭 θ 로 표현한다. 4. 연계 및 ASP 분석 사용자는 평균 수신 전력(Least Path Loss) 기준으로 가장 강한 신호를 제공하는 BS에 연계한다. 연계 확률 A_m, A_µ 를 각각 도출하고, 연계된 BS가 파일을 캐시하고 목표 전송률을 만족하면 성공 전송으로 간주한다. ASP는 다음과 같이 구성된다. ASP = Σ_i f_i