[論文レビュー] Exploiting New Forms of Multiuser Diversity for Spectrum Sharing in Cognitive Radio Networks

Rui Zhang, Ying‐Chang Liang|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2008

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing参考文献 13被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、主ユーザの干渉制約下でスケジューリングを最適化する認知無線ネットワークにおけるマルチユーザ干渉ダイバーシティ（MID）を導入する。二次ユーザは送信および受信チャネルの変動を活用することで、スペクトル共有を強化する。MIDがMAC、BC、PACチャネルにおいて従来のマルチユーザダイバーシティを上回る顕著なスペクトル利得をもたらすことを示している。

ABSTRACT

Abstract — Multiuser diversity, as a fundamental property for fading wireless networks, has been widely applied in today’s wireless communication systems. Conventionally, due to the multiuser diversity, the long-term throughput of a wireless system consisting of multiple independently fading communication links can be enhanced by selecting one link with the best instantaneous channel quality to transmit at one time. In this paper, we consider the emerging cognitive radio (CR) wireless network that communicates by sharing the spectrum with an existing primary radio (PR) network. Under the assumption that the CR transmit terminal protects the PR link by applying the interference-power constraint at the PR receiver, we demonstrate several new forms of multiuser diversity in the CR network, named as multiuser interference diversity (MID), which are not present in the traditional wireless systems. Three CR multiuser channel models are considered, including the multiple-access channel (MAC), broadcast channel (BC), and parallel access channel (PAC), for which we characterize the transmit MID (T-MID), the receive MID (R-MID), and the combined T-MID and R-MID, respectively. It is shown that the new discovered MID can achieve substantial performance gains for the CR network in addition to the conventional multiuser diversity. I.

研究の動機と目的

• 従来の無線システムに存在しない、認知無線ネットワークにおける新たなマルチユーザダイバーシティ形態—特にマルチユーザ干渉ダイバーシティ（MID）—を同定すること。
• MAC、BC、PACの3つの主要なCRチャネルモデルにおけるMIDの活用法を分析すること。
• 干渉電力制約下での長期スルーレイと従来のマルチユーザダイバーシティとの比較において、MIDの性能向上を定量すること。
• CRネットワークにおける送信MID（T-MID）、受信MID（R-MID）、および両者の統合（T-MID/R-MID）の理論的基盤を確立すること。

提案手法

• 主ユーザ受信機における干渉電力制約下で、二次ユーザが主無線ネットワークとスペクトルを共有する認知無線モデルを提案する。
• MAC、BC、PACの3つのマルチユーザCRチャネルモデルを分析し、それぞれが異なる形のMIDを可能にする：T-MID、R-MID、および統合T-MID/R-MID。
• 二次ユーザの自チャネル品質と主ユーザ受信機への干渉影響の両方を考慮して選択することで、長期スルーレイ利得を導出する。
• 二次送信機における瞬時チャネル状態情報を利用した共同最適化フレームワークを導入し、主ユーザ保護下でのスペクトル効率を最大化する。
• 確率的幾何学とフェージングチャネルモデルを用いて、複数の二次ユーザ間での干渉変動に起因するダイバーシティゲインを特徴付ける。
• 従来のマルチユーザダイバーシティに加えて新たに同定されたMIDゲインを組み合わせることで、達成可能な合計スルーレートの理論的境界を確立する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチユーザダイバーシティは、従来のユーザ選択を超えて、認知無線ネットワークにおける干渉ダイナミクスをどのように活用できるか？
• RQ2 二次ユーザチャネルと主ユーザ干渉制約の相互作用によって、CRネットワークにどのような新たなマルチユーザダイバーシティ形態が生じるか？
• RQ3 送信側の干渉変動（T-MID）は、マルチアクセス認知無線チャネルにおいてスペクトル効率をどのように向上させるか？
• RQ4 受信側の干渉変動（R-MID）は、ブロードキャスト認知無線チャネルにおいて性能向上にどのように寄与するか？
• RQ5 送信および受信の両方の干渉ダイバーシティ（T-MID/R-MID）は、パラレルアクセス認知無線チャネルにおいて乗法的利得をもたらすか？

主な発見

• マルチユーザ干渉ダイバーシティ（MID）は、異なる二次ユーザが引き起こす干渉レベルの変動に起因する、認知無線ネットワークにおける新たなダイバーシティ形態である。
• T-MIDは、主ユーザ受信機への干渉を最小限に抑えつつ、良好なチャネル品質を持つ二次ユーザを選択することにより、マルチアクセスチャネル（MAC）で顕著なスペクトル効率の向上を実現する。
• R-MIDは、異なる二次ユーザによる主ユーザ受信機の干渉レベルの変動を活用することで、ブロードキャストチャネル（BC）の性能を向上させる。
• パラレルアクセスチャネル（PAC）では、T-MIDとR-MIDの統合により乗法的ダイバーシティゲインが達成され、従来のマルチユーザダイバーシティ単体を上回る性能を示す。
• 提案されたMIDに基づくユーザ選択戦略は、特に厳しい干渉制約下において、従来のマルチユーザダイバーシティを上回る顕著なスルーレイ利得をもたらす。
• 理論的分析により、MIDはCRネットワークにおける根本的かつ活用可能なリソースであることが確認され、送信電力や帯域を増加させることなく、より高いスペクトル効率を実現可能である。