[論文レビュー] Cooperative Beamforming for Cognitive Radio-Based Broadcasting Systems with Asynchronous Interferences

Mai H. Hassan, Md. Jahangir Hossain|arXiv (Cornell University)|May 8, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 30被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、分散して協調する認知無線ノード（CCRNs）によって引き起こされる主受信機における非同期干渉を低減する、耐障害性に優れた協調ビームフォーミング手法を提案する。2段階の近似的最適化（最初にビームフォーミング方向を決定し、次に干渉制約下で電力割り当てを行う）を採用することで、不完全なまたは統計的チャネル状態情報（CSI）下でも、ゼロフォーリングビームフォーミング（ZFBF）と比較して、二次ユーザーの合計スループットを最大64％向上させることができ、さらにCCRNsの選択により45％の追加向上が達成される。

ABSTRACT

In order to address the asynchronous interference issue for a generalized scenario with multiple primary and multiple secondary receivers, in this paper, we propose an innovative cooperative beamforming technique. In particular, the cooperative beamforming design is formulated as an optimization problem that maximizes the weighted sum achievable transmission rate of secondary destinations while it maintains the asynchronous interferences at the primary receivers below their target thresholds. In light of the intractability of the problem, we propose a two-phase suboptimal cooperative beamforming technique. First, it finds the beamforming directions corresponding to different secondary destinations. Second, it allocates the power among different beamforming directions. Due to the multiple interference constraints corresponding to multiple primary receivers, the power allocation scheme in the second phase is still complex. Therefore, we also propose a low complex power allocation algorithm. The proposed beamforming technique is extended for the cases, when cooperating CR nodes (CCRNs) have statistical or erroneous channel knowledge of the primary receivers. We also investigate the performance of joint CCRN selection and beamforming technique. The presented numerical results show that the proposed beamforming technique can significantly reduce the asynchronous interference signals at the primary receivers and increase the sum transmission rate of secondary destinations compared to the well known zero-forcing beamforming (ZFBF) technique.

研究の動機と目的

• 分散して協調するCCRNsによって引き起こされる協調認知無線ネットワークにおける主受信機の非同期干渉を解消すること。
• 主受信機における非同期干渉がしきい値以下に保たれるように保証しつつ、二次受信機の重み付き合計スループットを最大化すること。
• 不完全または統計的チャネル状態情報（CSI）に対して耐障害性を持つ、近似的な2段階ビームフォーミング設計を開発すること。
• さらに二次システム性能を向上させるために、CCRNsの選択とビームフォーミングを統合して検討すること。
• チャネル推定誤差や部分的CSIといった実用的状況下での性能を評価すること。

提案手法

• 2段階の協調ビームフォーミング設計を定式化：最初に、各二次受信機のビームフォーミング方向を近似的な手法で決定する。
• 2番目の段階では、複数の主受信機からの複数の干渉制約下で、ビームフォーミング方向に電力を割り当てる。
• チャネル推定誤差や統計的CSIが存在する場合でも、干渉しきい値を維持できる耐障害性のあるビームフォーミングベクトル設計を採用する。
• 複数の干渉制約が存在する中でも、計算負荷を低減するための低複雑度電力割り当てアルゴリズムを導入する。
• 二次スループットへの貢献度と主受信機への干渉影響に基づいてノードを選択する、CCRNs選択とビームフォーミングを統合した戦略を適用する。
• 正規直交射影技術を用いて主受信機での干渉を消去し、ゼロフォーリングビームフォーミング（ZFBF）フレームワークを非同期信号に対応させる拡張を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数のCCRNsと複数の主受信機を有する認知無線システムにおいて、非同期干渉を最小化する協調ビームフォーミングはどのように設計できるか？
• RQ2 不完全なCSI下で、従来のゼロフォーリングビームフォーミング（ZFBF）と比較して、耐障害性ビームフォーミングを用いることで二次スループットにどの程度の向上が得られるか？
• RQ3 チャネル推定誤差は干渉しきい値違反にどのように影響し、耐障害性ビームフォーミング設計はその影響を軽減できるか？
• RQ4 瞬時のCSIの代わりに統計的CSIを使用した場合、干渉制約の満たされ方と二次スループットにどのような影響があるか？
• RQ5 CCRNsの選択とビームフォーミングを統合することで、二次スループットはさらに向上するか？その向上率はどの程度か？

主な発見

• 提案された耐障害性ビームフォーミング手法は、特にチャネル推定誤差が生じる状況下でも、ゼロフォーリングビームフォーミング（ZFBF）と比較して、主受信機における非同期干渉をより効果的に低減する。
• 完全なCSI下では、提案手法がZFBFと比較して、二次受信機の合計送信スループットを最大64％向上させる。
• チャネル推定誤差が存在する状況では、従来のLBFと比較して、耐障害性ビームフォーミング設計が干渉制約をより信頼性高く維持し、しきい値違反の頻発を回避する。
• 瞬時のCSIが利用できない場合、統計的CSIを用いた耐障害性ビームフォーミング手法は、干渉しきい値違反の確率を最大許容値（ε = 0.1）以下に保つ。
• CCRNsの選択とビームフォーミングを統合することで、全CCRNsを使用する場合と比較して、二次スループットが最大45％向上する。
• 低複雑度電力割り当てアルゴリズムは、複数の干渉制約を効果的に管理でき、実時間実装に適したビームフォーミング設計を実現する。