[論文レビュー] Interference Mitigation and Resource Allocation in Underlay Cognitive Radio Networks

Shailesh Chaudhari|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing参考文献 91被引用数 3

ひとこと要約

本学位論文は、主ユーザ（PU）の巡回性信号特性を用いた局所化、マス・MIMOシステムにおける低複雑性のパワー割り当て、およびパワー制御を伴う動的周波数バンド選択を活用して、アンダースケイル認知的無線ネットワークにおける高度な干渉低減およびリソース割り当て技術を提案する。主な貢献は、時間変動するチャネル状態およびPUの活動パターン下でも、PUの干渉制約を満たしつつ、セカンダリユーザのスループットを最大化する証明可能な最適パワー制御ポリシーである。

ABSTRACT

Due to ever increasing usage of wireless devices and data hungry applications, it has become necessary to improve the spectral efficiency of existing wireless networks. One way of improving spectral efficiency is to share the spectrum amongst different coexisting networks and serve multiple devices simultaneously. Spectrum sharing mechanisms for coexistence of a licensed network, such as LTE, with an unlicensed network, such as Wi-Fi, are being considered in the recent literature and standardizations. In order to enable the coexistence between licensed and unlicensed users, it is necessary to include interference mitigation techniques to protect the licensed primary users (PUs) from harmful interference. Typical interference mitigation mechanisms are based on spectrum sensing and cognitive radio (CR), wherein unlicensed secondary users (SUs) observe the spectrum and utilize it when licensed PUs are inactive. Thus, the SUs utilize empty time-slots in the shared spectrum to avoid the interference. The spectral efficiency can be further improved if the SUs are allowed to transmit concurrently with PUs by exploiting the spatial dimension provided by multiple antenna techniques. The underlay CR paradigm allows such coexistence where SUs transmit its signal in the same time-slots as PUs by exploiting the spatial and frequency resources in the network. In order to exploit the spatial dimension, SUs can utilize the location coordinates of PUs to steer its signal away from PUs to mitigate the interference. The SU transmitter can also employ multiple antenna techniques to serve a large number of devices. Further, the SUs can utilize frequency bands occupied by PUs by dynamically selecting the frequency band that provides the highest rate. In this work, we develop techniques for PU location estimation, spatial resource allocation and frequency band selection for SUs in underlay CR networks.

研究の動機と目的

• スペクトル的に重複する干渉が存在する状況下での正確な主ユーザ（PU）の局所化の課題に対処すること。
• 厳密な干渉制約を伴うマス・MIMO認知的無線ネットワークにおける、低複雑性のユーザ選択およびパワー割り当てアルゴリズムの設計。
• セカンダリユーザのスペクトル効率を最大化するとともに、干渉を所定のしきい値以下に保つパワー制御および周波数バンド選択ポリシーの開発。
• PUのトラフィック統計およびチャネルの時間的相関が、認知的無線システムにおける最適送信戦略に与える影響の分析。

提案手法

• サイクロステーショナリティに基づく局所化アルゴリズムとして、周期的重み付き相関（Cyclic WCL）を用い、干渉源を検出し抑制することで、PUの位置推定精度を向上させる。
• 信号のサイクロステーショナリティと空間ダイバーシティを活用することで、干渉に対してより頑健な改善型Cyclic WCL手法を導入。
• マス・MIMOセカンダリ基地局におけるユーザ選択およびパワー割り当てのための低複雑性アルゴリズムを提案。アンテナ数がユーザー数よりも著しく多い場合に最適性能を達成。
• 干渉制約、PU活動統計、チャネル相関を関数として伝送パワーの閉形式表現を導出。これにより、動的周波数バンド選択が可能になる。
• PU状態遷移をマルコフ連鎖でモデル化し、PU活動の時間的ダイナミクスとセカンダリ伝送への影響を定量化。
• チャネル相関とPU状態確率を活用することで、動的パワー制御ポリシーが固定パワー制御ポリシーを上回ることを証明。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 認知的無線ネットワークにおいて、スペクトル的に重複する干渉源が存在する状況下で、主ユーザの位置をどのように正確に推定できるか。
• RQ2 干渉制約を伴うマス・MIMOアンダースケイル認知的無線ネットワークにおける最適なユーザ選択およびパワー割り当て戦略は何か。
• RQ3 PUの干渉制約下で、周波数バンドごとの動的パワー制御は、固定パワー制御を上回る実現可能なスループットを達成できるか。
• RQ4 PUのトラフィック統計およびチャネルの時間的相関は、セカンダリユーザの最適パワーおよび周波数バンド選択ポリシーにどのように影響を与えるか。
• RQ5 実用的展開条件下で、低複雑性アルゴリズムがマス・MIMO認知的無線システムにおいて最適性能を達成できるか。

主な発見

• 改善型Cyclic WCLアルゴリズムは、干渉源に影響を受けるセカンダリユーザを特定・除外することで、特に高干渉環境下でも局所化精度を顕著に向上させる。
• 提案された低複雑性パワー割り当てアルゴリズムは、セカンダリ基地局のアンテナ数がアクティブユーザー数の10倍以上に達する場合、最適解に到達する。
• 動的パワー制御は、ジェンセンの不等式と相関解析を用いて導出された証明可能な利得を伴い、固定パワー制御を上回る実現可能スループットを達成する。
• セカンダリユーザにとって最適な戦略は、複数の周波数帯にわたる周波数ホッピングではなく、1つの周波数帯に留まることであり、これは干渉制約を満たしつつデータレートを最大化する。
• 導出されたパワー制御ポリシーは、PU活動パターンとチャネル相関を考慮しており、変動するネットワーク環境下でも安定かつ高スループットの伝送を可能にする。
• 理論的分析により、動的パワー制御ポリシーが固定ポリシーを上回る期待スペクトル効率を達成することが確認され、PU活動のばらつきが大きいほどその利得が増大する。