New intelligent caching and mobility strategies for MEC /ICN based architectures

par Sarra Mehamel

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Samia Bouzefrane et de Mehammed Daoui.

Soutenue le 04-11-2020

à Paris, CNAM en cotutelle avec l'Université Mouloud Mammeri (Tizi-Ouzou, Algérie) , dans le cadre de École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris , en partenariat avec Centre d'études et de recherche en informatique et communications (Paris) (laboratoire) et de MIM - Médias Interactifs et Mobilité - ILJ : Interactivité pour Lire et Jouer (équipe de recherche) .

Le président du jury était Malika Belkadi.

Le jury était composé de Hassine Moungla.

Les rapporteurs étaient Nadjib Achir, Bouabdellah Kechar.

  • Titre traduit

    Nouvelles stratégies de mise en cache et de mobilité intelligentes pour MEC / architectures basées ICN


  • Résumé

    Le paradigme de MEC (Mobile Edge Computing) consiste à mettre les ressources de calcul et de stockage aux « extrémités » du réseau à proximité des utilisateurs finaux. Le terme « edge » désigne n’importe quel type de station de base de réseau. Les motivations pour l’adoption de ce nouveau concept sont principalement la réduction de la charge au cœur du réseau et la diminution de la latence grâce à la proximité des ressources et ainsi améliorer l’expérience utilisateur. Les serveurs MEC sont de bons candidats pour héberger les applications mobiles et diffuser le contenu Web. La mise en cache à l’extrémité du réseau, ou Edge Caching en anglais, est l’une des technologies les plus émergentes connues comme solution de récupération de contenu au bord du réseau. Elle est aussi considérée comme une technologie permettant la mise en place du concept MEC puisqu’elle présente une opportunité intéressante pour implémenter les services de mise en cache. En particulier, les serveurs MEC sont implémentés directement au niveau des stations de base, ce qui permet la mise en cache à l’extrémité du réseau et assure un déploiement à proximité des utilisateurs finaux. Cependant, l’intégration des serveurs MEC dans les stations de base complexifie le problème de la consommation de l’énergie, particulièrement dans un tel environnement qui est dynamique et sujet à des changements au fil du temps. Par ailleurs, la demande des utilisateurs des appareils mobiles est en constante augmentation ainsi que leur expectation d’une expérience meilleure. Sachant que le cache est d’une taille limitée, il est donc nécessaire et crucial que les mécanismes de mise en cache soient en mesure de faire face à cette situation et de proposer des solutions valables et satisfaisants à long terme. La plupart des études existantes se sont focalisées sur l’allocation de cache, la popularité du contenu ou encore la manière de concevoir le cache. Dans cette thèse, nous présentons une nouvelle stratégie de mise en cache écoénergétique basée sur la logique floue (Fuzzy logic). Notre proposition prend en compte les quatre caractéristiques d’un environnement mobile et introduit une implémentation matérielle en utilisant les FPGA (Field-Programmable Gate Array) pour réduire les besoins globaux en énergie. L’adoption d’une stratégie de mise en cache adéquate sur les serveurs MEC ouvre la possibilité d’utiliser des techniques d’intelligence artificielle (IA) et d’apprentissage automatique (Machine Learning) aux extrémités des réseaux mobiles. L’exploitation des informations de contexte des utilisateurs permet de concevoir une mise en cache intelligente sensible au contexte. La reconnaissance du contexte permet au cache de connaître son environnement, tandis que l’intelligence lui permet de prendre les bonnes décisions en sélectionnant le contenu approprié à mettre en cache afin d’optimiser les performances du caching. Inspiré par le succès de l’apprentissage par renforcement utilisant des agents pour traiter des problèmes de prise de décision, nous avons étendu notre système de mise en cache basé sur la logique floue à un modèle d’apprentissage par renforcement modifié. Le cadre proposé vise à maximiser le taux de réussite du cache (hit rate) et nécessite une prise de conscience multiple sure les conditions de web et l’utilisateur final. La méthode d’apprentissage par renforcement modifiée diffère des autres algorithmes par le taux d’apprentissage qui utilise la méthode du gradient stochastique décent (stochastic gradient decent) en plus de tirer parti de l’apprentissage en utilisant la décision de mise en cache optimale obtenue à partir des règles de la logique floue.


  • Résumé

    Mobile edge computing (MEC) concept proposes to bring the computing and storage resources in close proximity to the end user by placing these resources at the network edge. The motivation is to alleviate the mobile core and to reduce latency for mobile users due to their close proximity to the edge. MEC servers are candidates to host mobile applications and serve web contents. Edge caching is one of the most emerging technologies recognized as a content retrieval solution in the edge of the network. It has been also considered as enabling technology of mobile edge computing that presents an interesting opportunity to perform caching services. Particularly, the MEC servers are implemented directly at the base stations which enable edge caching and ensure deployment in close-proximity to the mobile users. However, the integration of servers in mobile edge computing environment (base stations) complicates the energy saving issue because the power consumed by mobile edge computing servers is costly especially when the load changes dynamically over time. Furthermore, users with mobile devices arise their demands, introducing the challenge of handling such mobile content requests beside the limited caching size. Thus, it is necessary and crucial for caching mechanisms to consider context-aware factors, meanwhile most existing studies focus on cache allocation, content popularity and cache design. In this thesis, we present a novel energy-efficient fuzzy caching strategy for edge devices that takes into consideration four influencing features of mobile environment, while introducing a hardware implementation using Field-Programmable Gate Array (FPGA) to cut the overall energy requirements. Performing an adequate caching strategy on MEC servers opens the possibility of employing artificial intelligence (AI) techniques and machine learning at mobile network edges. Exploiting users context information intelligently makes it possible to design an intelligent context-aware mobile edge caching. Context awareness enables the cache to be aware of its environment, while intelligence enables each cache to make the right decisions of selecting appropriate contents to be cached so that to maximize the caching performance. Inspired by the success of reinforcement learning (RL) that uses agents to deal with decision making problems, we extended our fuzzy-caching system into a modified reinforcement learning model. The proposed framework aims to maximize the cache hit rate and requires a multi awareness. The modified RL differs from other RL algorithms in the learning rate that uses the method of stochastic gradient decent beside taking advantage of learning using the optimal caching decision obtained from fuzzy rules.


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