[論文レビュー] Full Duplex Wireless Communications for Cognitive Radio Networks

Wenchi Cheng, Xi Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2011

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing参考文献 19被引用数 23

ひとこと要約

本稿では、アンテナキャンセレーション（AC）、RFインターフェレンスキャンセレーション（RIC）、デジタルインターフェレンスキャンセレーション（DIC）を用いたフルデュプレックス認知無線ネットワーク（CRN）方式を提案し、二次ユーザー（SUs）が送信中にも一次ユーザー（PUs）を検出可能にする。半二重結合CRNと比較して、特に高SNR条件下でPUのパケット損失率が顕著に低減される。不完全なフルデュプレックス条件下でも同様の効果が得られる。

ABSTRACT

As a key in cognitive radio networks (CRNs), dynamic spectrum access needs to be carefully designed to minimize the interference and delay to the \emph{primary} (licensed) users. One of the main challenges in dynamic spectrum access is to determine when the \emph{secondary} (unlicensed) users can use the spectrum. In particular, when the secondary user is using the spectrum, if the primary user becomes active to use the spectrum, it is usually hard for the secondary user to detect the primary user instantaneously, thus causing unexpected interference and delay to primary users. The secondary user cannot detect the presence of primary users instantaneously because the secondary user is unable to detect the spectrum at the same time while it is transmitting. To solve this problem, we propose the full duplex wireless communications scheme for CRNs. In particular, we employ the Antennas Cancellation (AC), the RF Interference Cancellation (RIC), and the Digital Interference Cancellation (DIC) techniques for secondary users so that the secondary user can scan for active primary users while it is transmitting. Once detecting the presence of primary users, the secondary user will release the spectrum instantaneously to avoid the interference and delay to primary users. We analyze the packet loss rate of primary users in wireless full duplex CRNs, and compare them with the packet loss rate of primary users in wireless half duplex CRNs. Our analyses and simulations show that using our developped wireless full duplex CRNs, the packet loss rate of primary users can be significantly decreased as compared with that of primary users by using the half duplex CRNs.

研究の動機と目的

• 半二重結合認知無線ネットワークにおけるSUsが送信中は周波数帯を感知できないという、PU検出の遅延という深刻な問題を解決すること。
• フルデュプレックス動作を用いて送信中にリアルタイムで周波数帯を感知することで、PUへの干渉と遅延を低減すること。
• アンテナ配置誤差、振幅不一致、帯域幅効果などの実用的限界を想定したフルデュプレックスCRNの性能を評価すること。
• 変動するSNRおよびトラフィック負荷条件下における、フルデュプレックスCRNと半二重結合CRNのPUパケット損失率を比較すること。

提案手法

• 提案手法は、局所送信機からの強い自己干渉信号を抑圧するために、アンテナキャンセレーション（AC）、RFインターフェレンスキャンセレーション（RIC）、デジタルインターフェレンスキャンセレーション（DIC）を統合する。
• 受信信号電力に基づき、PUの存在を判断するための判定閾値$\widetilde{\beta}$を用いる。誤検出確率$\widetilde{p}_{MD}$は非心カイ二乗分布から導出される。
• PUのパケット損失率は$\rho_{PU} = \widetilde{p}_{MD}$としてモデル化され、$\widetilde{p}_{MD} = \widetilde{F}_{\widetilde{Y}|\mathcal{H}_1}(\widetilde{\beta})$と表され、不完全なフルデュプレックス条件を反映している。
• 統計的 fading モデルを用い、非心カイ二乗分布に従うエナベルパワーを扱い、確率計算の正確性を高めるために上不完全ガンマ関数を用いる。
• シミュレーションでは、$N=100$パケット、$L_p=1$KB、$\lambda_p=2$ s⁻¹、$\lambda_s=5$ s⁻¹、$m=5$、および変動するSNRと遅延バウンドを用いた実用的パrameterを採用する。
• 不完全なフルデュプレックス効果は、送信電力不一致（$\epsilon^{A}_{ant}$）、受信アンテナ配置誤差（$\epsilon^{d}_{ant}$）、帯域幅（20MHz、85MHz）を2.48GHzでモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 認知無線ネットワークにおけるフルデュプレックス動作は、半二重結合動作と比較して、一次ユーザーのパケット損失率を低減できるか？
• RQ2 実用的限界（アンテナ配置誤差、振幅不一致、帯域幅）は、フルデュプレックスCRNの性能にどのように影響するか？
• RQ3 完璧および不完全なフルデュプレックスCRNにおける平均SNRとPUパケット損失率の関係は何か？
• RQ4 不完全なフルデュプレックスCRNの性能が半二重結合CRNを上回るSNRレベルはどの程度か？
• RQ5 トラフィック負荷と遅延制約は、フルデュプレックスCRNにおけるPUパケット損失率にどのように影響するか？

主な発見

• 完璧なフルデュプレックスCRNでは、平均SNRが上昇するに従い、PUのパケット損失率はゼロに収束し、半二重結合CRNを著しく上回る。
• 不完全なフルデュプレックス条件下でも、平均SNRが高い場合には、半二重結合CRNよりもPUパケット損失率が低くなる。
• アンテナ配置誤差（1mmおよび2mm）、振幅不一致（0.1Aₐₙₜおよび0.2Aₐₙₜ）などの不完全なフルデュプレックス効果は、PUパケット損失率をわずかに増加させるが、その影響は最小限である。
• 帯域幅を広く（85MHz vs. 20MHz）しても、PUパケット損失率に顕著な影響はなく、帯域幅変動に対して高いロバスト性を示す。
• トラフィック負荷が増加する（例：$\lambda_p = \lambda_s = 5$ s⁻¹）と、特に厳格な遅延バウンド（$D = NL_p/(4R)$）下では、PUパケット損失率が上昇し、システムの飽和が顕著になる。
• 提案されたフルデュプレックス方式により、SU送信中のアクティブなPUの誤検出が低減され、即時の周波数解放が可能となり、干渉が最小限に抑えられる。