[論文レビュー] Cooperation-based Routing in Cognitive Radio Networks

Arsany Guirguis, Mohammed Karmoose+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2016

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing参考文献 18被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、認知無線ネットワーク向けに、二次ユーザーがアクティブなプライマリユーザーと同時に送信できるようにするクロスレイヤー協調ルーティングプロトコルであるUndercoverを提案する。このプロトコルは、受信側のプライマリユーザーに干渉を抑える協調ビームフォーミングを用いる。位置情報に依存する協調グループと干渉に配慮した送信を活用することで、従来のプロトコルと比較してネットワークのグッドプットを最大250%まで向上させ、最小限のオーバーヘッドで実現する。

ABSTRACT

Primary user activity is a major bottleneck for existing routing protocols in cognitive radio networks. Typical routing protocols avoid areas that are highly congested with primary users, leaving only a small fragment of available links for secondary route construction. In addition, wireless links are prone to channel impairments such as multipath fading; which renders the quality of the available links highly fluctuating. In this paper, we investigate using cooperative communication mechanisms to reveal new routing opportunities, enhance route qualities, and enable true coexistence of primary and secondary networks. As a result, we propose Undercover: a cooperative routing protocol that utilizes the available location information to assist in the routing process. Specifically, our protocol revisits a fundamental assumption taken by the state of the art routing protocols designed for cognitive radio networks. Using Undercover, secondary users can transmit in the regions of primary users activity through utilizing cooperative communication techniques to null out transmission at primary receivers via beamforming. In addition, the secondary links qualities are enhanced using cooperative diversity. To account for the excessive levels of interference typically incurred due to cooperative transmissions, we allow our protocol to be interference-aware. Thus, cooperative transmissions are penalized in accordance to the amount of negatively affected secondary flows. We evaluate the performance of our proposed protocol via NS2 simulations which show that our protocol can enhance the network goodput by a ratio reaches up to 250% compared to other popular cognitive routing protocols with minimal added overhead.

研究の動機と目的

• 既存の認知無線ルーティングプロトコルがすべてのプライマリユーザー活動領域を避けるため、スケジューリングの未利用と最適でないルートが生じるという制限を解消すること。
• 物理層での協調ビームフォーミングを活用して、有害な干渉を引き起こさずにアクティブなプライマリユーザーが存在する状況でも二次ユーザーが送信できるようにすること。
• 協調ダイバーシティを活用してルートの信頼性とスループットを向上させつつ、他の二次フローへの干渉を最小限に抑えること。
• 干渉に配慮した設計と位置情報に配慮した設計を組み合わせたルーティングプロトコルを設計し、効率的なグループ形成と動的スペクトラムアクセスを可能にすること。

提案手法

• Undercoverは、ノードの位置情報を活用して、二次ユーザーの協調グループを形成し、そのグループが共同でビームフォーミングを実行して、プライマリユーザー受信機への信号漏れを抑える。
• 前処理を用いた協調ビームフォーミングを採用し、アクティブなプライマリユーザーの方向への送信エネルギーを抑制しながら、意図した二次リンクの信号品質を維持する。
• 干渉に配慮した設計を実装し、他の二次フローに与える干渉の程度に応じて協調送信をペナルティ化することで、公平性と効率性を確保する。
• クロスレイヤー設計として動作させ、物理層での協調とネットワーク層でのルーティング意思決定を統合し、ルート選択とスペクトラム使用の最適化を実現する。
• グループ形成はノード密度とPU活動に基づいて動的に管理され、PU干渉が低い場合には、オーバーヘッドと干渉を低減するため、より小さなグループを優先する。
• NS2シミュレーションを用いて、グッドプット、エンドツーエンド遅延、ルーティングオーバーヘッドなどの指標を評価し、CAODVおよびLAUNCHと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 協調ビームフォーミングを活用することで、アクティブなプライマリユーザーと同一スペクトラムで二次ユーザーが有害な干渉を引き起こさずに送信できるか？
• RQ2 協調通信技術は、高いプライマリユーザー活動を示す認知無線ネットワークにおいて、ルート品質と可用性をどのように向上させ得るか？
• RQ3 干渉に配慮した協調送信の影響は、グッドプットと遅延の観点から二次ネットワークのパフォーマンスにどのように現れるか？
• RQ4 協調グループのサイズと形成方法は、動的な認知無線環境におけるネットワークパフォーマンスとオーバーヘッドにどのように影響を与えるか？

主な発見

• Undercoverは、高いプライマリユーザー活動下でCAODVおよびLAUNCHと比較して最大250%のグッドプット向上を達成する。
• ルーティングオーバーヘッドは低く抑えられており、Undercoverはグループ形成にほぼ一定の数の制御パケットを追加するが、CAODVのグローバルルーティング方式に比べて優れている。
• データレートが高く、パケットサイズが大きいほどエンドツーエンド遅延が増加するが、Undercoverはすべての設定において一貫して高いグッドプットを達成する。
• グッドプットは中程度のパケットサイズでピークに達し、より大きなサイズではPUのスペクトラム先行割り当てによるパケット損失増加により低下する。この傾向はすべてのプロトコルに共通だが、Undercoverが最も効果的に緩和している。
• Undercoverにおける平均グループサイズは二次ユーザー数の増加に伴い増加するが、PU密度が低い場合には干渉を最小限に抑えるために、より小さなグループの形成を優先する。
• Undercoverは、すべてのテストされたデータレートおよびパケットサイズにおいて、CAODVおよびLAUNCHを上回るグッドプットを示しており、動的スペクトラム環境における堅牢性とスケーラビリティを示している。