[論文レビュー] Multimedia Channel Allocation in Cognitive Radio Networks using FDM-FDMA and OFDM-FDMA

Ansuman Bhattacharya, Rabindranath Ghosh+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2016

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing参考文献 16被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、FDM-FDMAおよびOFDM-FDMAを用いて複数の小さな非連続スペクトラム帯を統合することで、マルチメディア通信を可能にする認知無線ネットワーク向けの新規非連続チャネル割当技術を提案する。従来のファーストフィットおよびベストフィットアルゴリズムに比べ、96%のトラフィック負荷下でも1秒未塔のチャネル割当を達成（OFDM-FDMAでは4.5秒）するが、既存手法は完全に失敗する。

ABSTRACT

In conventional wireless systems, unless a contiguous frequency band with width at least equal to the required bandwidth is obtained, multimedia communication can not be effected with the desired Quality of Service. We propose here a novel channel allocation technique to overcome this limitation in a Cognitive Radio Network which is based on utilizing several non-contiguous channels, each of width smaller than the required bandwidth, but whose sum equals at least the required bandwidth. We present algorithms for channel sensing, channel reservation and channel deallocation along with transmission and reception protocols with two different implementations based on $FDM-FDMA$ and $OFDM-FDMA$ techniques. Simulation results for both these implementations show that the proposed technique outperforms the existing first-fit and best-fit~\cite{b109, b110} allocation techniques in terms of the average number of attempts needed for acquiring the necessary number of channels for all traffic situations ranging from light to extremely heavy traffic. Further, the proposed technique can allocate the required numbers of channels in less than one second with $FDM-FDMA$ ($4.5$ second with $OFDM-FDMA$) even for $96\%$ traffic load, while the first-fit and best-fit techniques fail to allocate any channel in such situations.

研究の動機と目的

• マルチメディアQoS要件を満たす十分な幅の連続帯域が存在しない認知無線ネットワークにおけるスペクトラム断片化の問題に対処すること。
• 必要なデータレートに十分な合計帯域幅を持つ複数の非連続チャネルを統合することで、信頼性の高いマルチメディア伝送を実現すること。
• 高トラフィック環境における動的スペクトラムアクセスを実現するため、効率的なチャネルセンシング、予約、および割当解除プロトコルの設計。
• さまざまなトラフィック負荷下でのFDM-FDMAおよびOFDM-FDMAベースの実装の性能を評価・比較すること。

提案手法

• FDM-FDMAおよびOFDM-FDMA技術を用いて、それぞれの帯域が必要帯域幅未満であるが、合計で十分な帯域幅を持つ複数の非連続チャネルを介してマルチメディア信号を伝送する。
• ノードが同時に複数のチャネルをセンシングすることで、空きチャネルを特定する分散型センシングメカニズムを採用する。
• 2段階プロトコルを導入：第1段階ではTAM（チャネル割当メッセージ）およびNACK/ACKシグナリングを用いた試行ベースのチャネル取得；第2段階ではCHALLOCまたはCRMメッセージによる最終的予約。
• チャネル取得中の衝突を回避するため、TAMメッセージによる一時的予約メカニズムを採用し、タイムアウトと再試行回数制限を設ける。
• OFDM-FDMAでは、競合を回避するため、1からMAXまでのうち、すでにセットに含まれていないj個のチャネルをランダムに選択する戦略を採用。
• 一時的にブロッキング済みおよび永続的に予約済みのチャネルを追跡するため、ローカルなチャネル使用状況および予約データベースを維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 必要な幅の連続スペクトラム帯が存在しない認知無線ネットワークにおいて、マルチメディア通信が効果的にサポート可能かどうか。
• RQ2 高トラフィック負荷下において、FDM-FDMAおよびOFDM-FDMAを用いた非連続チャネル割当の性能が、従来のファーストフィットおよびベストフィット割当と比べてどのように異なるか。
• RQ3 提案手法が実用的な時間枠内で成功したチャネル割当を達成できる最大のトラフィック負荷は何か。
• RQ4 さまざまなネットワーク状態下で、FDM-FDMAおよびOFDM-FDMA実装の間で、割当遅延およびスケーラビリティの点でどのような相違が生じるか。

主な発見

• FDM-FDMAを用いる場合、96%のトラフィック負荷下でも1秒未塔で成功したチャネル割当を達成するが、ファーストフィットおよびベストフィット手法は同様の条件下で完全に失敗する。
• OFDM-FDMAを用いる場合、96%の負荷下でも4.5秒で割当プロセスが完了し、従来手法が失敗する状況でも正常に動作する。
• 軽負荷から極めて高い負荷に至るあらゆるトラフィック状態において、チャネル取得に必要な試行回数が、ファーストフィットおよびベストフィットアルゴリズムに比べて顕著に少ない。
• スペクトラムが著しく断片化されている状況下でも、チャネル取得の信頼性と低遅延性を維持する。
• OFDM-FDMAにおける並列センシングとランダムチャネル選択戦略により、競合が低減され、チャネルアクセスの公平性が向上する。
• CRMメッセージによるタイムリーなチャネル解放を保証することで、干渉を最小限に抑え、スペクトラム再利用を促進する。