[論文レビュー] An Energy Efficient Multichannel MAC Protocol for Cognitive Radio Ad Hoc Networks

S. M. Kamruzzaman|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2010

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing参考文献 30被引用数 31

ひとこと要約

本稿では、認知無線アドホックネットワークにおけるTDMAベースのエネルギ効率の良いマルチチャネルMACプロトコルであるECR-MACを提案する。このプロトコルは、セカンダリユーザーが使用されていないライセンス済み周波数帯を機会的にアクセス可能にする。物理層でのスペクトルセンシングとMAC層での時間と周波数のネゴシエーションを統合することにより、ドーズモード運用によってエネルギー消費を低減し、マルチチャネル隠れ端末問題を軽減することで、プライマリユーザーを保護しながらネットワーク性能とQoSを顕著に向上させる。

ABSTRACT

This paper presents a TDMA based energy efficient cognitive radio multichannel medium access control (MAC) protocol called ECR-MAC for wireless Ad Hoc Networks. ECR-MAC requires only a single half-duplex radio transceiver on each node that integrates the spectrum sensing at physical (PHY) layer and the packet scheduling at MAC layer. In addition to explicit frequency negotiation which is adopted by conventional multichannel MAC protocols, ECR-MAC introduces lightweight explicit time negotiation. This two-dimensional negotiation enables ECR-MAC to exploit the advantage of both multiple channels and TDMA, and achieve aggressive power savings by allowing nodes that are not involved in communication to go into doze mode. The IEEE 802.11 standard allows for the use of multiple channels available at the PHY layer, but its MAC protocol is designed only for a single channel. A single channel MAC protocol does not work well in a multichannel environment, because of the multichannel hidden terminal problem. The proposed energy efficient ECR-MAC protocol allows SUs to identify and use the unused frequency spectrum in a way that constrains the level of interference to the primary users (PUs). Extensive simulation results show that our proposed ECR-MAC protocol successfully exploits multiple channels and significantly improves network performance by using the licensed spectrum band opportunistically and protects QoS provisioning over cognitive radio ad hoc networks.

研究の動機と目的

• マルチチャネル認知無線環境におけるシングルチャネルMACプロトコルの非効率性を是正すること。
• 通信していないノードがドーズモードに移行できるようにすることで、アドホックネットワークにおけるエネルギー消費を低減すること。
• マルチチャネルMACプロトコルに広く見られるマルチチャネル隠れ端末問題を解決すること。
• プライマリユーザーに有害なインターフェアレンスを引き起こさずに、セカンダリユーザーが使用されていない周波数帯を活用できること。
• 協調的なチャネルおよび時間スケジューリングを通じて、認知無線アドホックネットワークにおけるQoSの提供を実現すること。

提案手法

• ECR-MACは、各ノードに1つのハーフデュプレックスラジオ変調器を用い、物理層でのスペクトルセンシングとMAC層でのスケジューリングを統合する。
• 従来の周波数ネゴシエーションに加え、軽量な明示的時間ネゴシエーションを導入し、2次元の調整を可能にする。
• TDMAを用いてタイムスロットを割り当て、通信に参加しないノードが電源をオフにしてエネルギーを節約できるようにする。
• 使用されていないプライマリチャネルを検出するため、スペクトルセンシングを継続的に行い、セカンダリユーザーによる動的アクセスを可能にする。
• ノードは送信前に周波数とタイムスロットの両方をネゴシエートし、衝突や隠れ端末問題を回避する。
• 厳密なセンシングとアクセスルールを適用することで、プライマリユーザーへの最小限のインターフェアレンスを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチチャネル認知無線アドホックネットワークにおいて、エネルギー消費を最小限に抑えつつ、スペクトルアクセスを効率的に管理する方法は何か？
• RQ2 マルチチャネル認知無線ネットワークにおけるマルチチャネル隠れ端末問題を効果的に解消するメカニズムは何か？
• RQ3 時間と周波数の協調をどのように最適化すれば、エネルギー節約と信頼性の高い通信を両立できるか？
• RQ4 シングルラジオ、ハーフデュプレックス認知無線ノードは、マルチラジオシステムと比較してどの程度の性能を達成できるか？
• RQ5 明示的時間ネゴシエーションを備えたTDMAベースのアプローチは、従来のマルチチャネルMACプロトコルと比較して、より優れたQoSとエネルギー効率を実現できるか？

主な発見

• ECR-MACは、使用されていないライセンス済み周波数帯への機会的アクセスを可能にすることで、ネットワーク性能を顕著に向上させる。
• 適切なタイムスロット協調により、通信していないノードがドーズモードに移行できるようにすることで、エネルギー消費を低減する。
• シミュレーション結果から、ECR-MACがマルチチャネル隠れ端末問題を効果的に軽減していることが確認された。
• スペクトルセンシングとアクセス制約を強制することで、プライマリユーザーの保護が保証される。
• 協調的なチャネルおよび時間スケジューリングにより、ECR-MACは認知無線アドホックネットワークにおけるQoSの向上を実現した。
• 提案されたプロトコルは、マルチチャネル環境下で従来のシングルチャネルMACプロトコルを上回る性能を発揮した。