[論文レビュー] Cooperative Feedback for Multi-Antenna Cognitive Radio Networks

Kaibin Huang, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2009

Advanced MIMO Systems OptimizationEngineering参考文献 29被引用数 22

ひとこと要約

本稿は、複数アンテナを備えた認知無線ネットワークにおける協調フィードバックフレームワークを提案し、主ユーザ（PU）受信機からの有限レートのフィードバックを用いて、二次ユーザ（SU）が認知ビームフォーミング（CB）を実行できるようにする。PUは量子化されたSU-PUチャネル方向情報（CDI）と干渉電力制御（IPC）信号をフィードバックし、SUが干渉を抑えるとともにスループットを最大化するビームフォーマーを設計できるようにする。主な貢献は、SUのアウトージ確率を最小化するためのCDIとIPCフィードバック間のビット割り当てトレードオフの特定である。

ABSTRACT

Cognitive beamforming (CB) is a multi-antenna technique for efficient spectrum sharing between primary users (PUs) and secondary users (SUs) in a cognitive radio network. Specifically, a multi-antenna SU transmitter applies CB to suppress the interference to the PU receivers as well as enhance the corresponding SU-link performance. In this paper, for a multiple-input-single-output (MISO) SU channel coexisting with a single-input-single-output (SISO) PU channel, we propose a new and practical paradigm for designing CB based on the finite-rate cooperative feedback from the PU receiver to the SU transmitter. Specifically, the PU receiver communicates to the SU transmitter the quantized SU-to-PU channel direction information (CDI) for computing the SU transmit beamformer, and the interference power control (IPC) signal that regulates the SU transmission power according to the tolerable interference margin at the PU receiver. Two CB algorithms based on cooperative feedback are proposed: one restricts the SU transmit beamformer to be orthogonal to the quantized SU-to-PU channel direction and the other relaxes such a constraint. In addition, cooperative feedforward of the SU CDI from the SU transmitter to the PU receiver is exploited to allow more efficient cooperative feedback. The outage probabilities of the SU link for different CB and cooperative feedback/feedforward algorithms are analyzed, from which the optimal bit-allocation tradeoff between the CDI and IPC feedback is characterized.

研究の動機と目的

• SUが有害な干渉を避けるために干渉チャネルの知識を必要とする認知無線ネットワークにおいて、完全なCSI取得が現実的でないという問題に対処すること。
• PU受信機からの有限レートのフィードバックを活用することで、MISO SUとSISO PUの共存状況における実用的な認知ビームフォーミング（CB）を可能にすること。
• CDIとIPCフィードバックビットを最適に割り当てることで、SUのアウトージ確率を最小化するCBアルゴリズムとフィードバック戦略を共同で設計すること。
• フィードバック効率とシステム性能を向上させるために、SUのCSIを協調的にフィードフォワードする方法を検討すること。

提案手法

• 直交認知ビームフォーミング（OCB）と非直交認知ビームフォーミング（NOCB）の2つのCBアルゴリズムを提案。OCBはSUビームフォーマーを量子化されたSU-PUチャネル方向に直交させる制約を課し、NOCBはこの制約を緩和する。
• PU受信機が量子化されたチャネル方向情報（CDI）と干渉電力制御（IPC）信号をSU送信機に送信する協調フィードバックモデルを導入。
• PU受信機における許容可能な干渉マージンに基づいてIPC信号の量子化戦略を採用し、SUの送信電力の動的適応を可能にする。
• SU送信機からPU受信機へ向かうSUチャネル状態情報（CSI）の協調的フィードフォワードを活用し、フィードバック効率とビームフォーマー設計の精度を向上させる。
• 異なるフィードバックおよびビームフォーミング方式下でのSUリンクのアウトージ確率を分析し、性能評価のための閉形式表現を導出する。
• 漸近的解析とアウトージ確率表現を用いて、CDIとIPCフィードバックビット間の最適なビット割り当てトレードオフを特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全なCSIがSU送信機に存在しない状況において、マルチアンテナSUとSISO PUの共存環境で認知ビームフォーミングをどのように実用的に実装できるか。
• RQ2 協調フィードバックフレームワークにおいて、チャネル方向情報（CDI）と干渉電力制御（IPC）信号に割り当てるフィードバックビットの最適なトレードオフは何か。
• RQ3 提案された協調フィードバックモデルにおいて、フィードバックレートとシステムパラメータがSUリンクのアウトージ性能にどのように影響するか。
• RQ4 PUのフィードバックに加えて、SUのCSIを協調的にフィードフォワードすることで、どの程度の性能向上が達成可能か。
• RQ5 有限レートフィードバック下で、OCBとNOCB方式はアウトージ確率とフィードバック効率の観点からどのように比較できるか。

主な発見

• 提案された協調フィードバックフレームワークにより、PU受信機からの有限レートのフィードバックのみを用いて、マルチアンテナ認知無線ネットワークにおける効果的な認知ビームフォーミングが実現可能である。
• CDIとIPC信号のフィードバックビットが最適に割り当てられた場合、SUリンクのアウトージ確率が最小化され、このトレードオフはシステムのダイバーシティ次数とフィードバックレートに依存して特徴づけられる。
• 直交制約を緩和する非直交認知ビームフォーミング（NOCB）は、OCBよりも低いアウトージ確率を達成する。
• CDIとIPCフィードバックの最適ビット割り当ては解析的に導出されており、CDIにフィードバックビットを割り当てることでダイバーシティゲインが向上し、IPCフィードバックにより電力適応性が向上することが示された。
• SUのCSIを協調的にフィードフォワードすることは、特に低SNR領域において、フィードバック効率を著しく向上させるとともにアウトージ確率を低減する。
• 漸近的解析により、アウトージ確率がフィードバックレートに従って指数関数的に減少することが確認され、ダイバーシティゲインはフィードバックビット数とチャネル利得に比例することが示された。