[論文レビュー] Protocol design and stability/delay analysis of half-duplex buffered cognitive relay systems

Yan Chen, Vincent K. N. Lau+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2010

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing参考文献 9被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、動的で主ユーザ（PU）が優位な環境下でスループット効率を向上させ、エンドツーエンド遅延を低減するため、半二重モード認知リレーシステムにバッファ付きデコード・アンド・フォワード（BDF）プロトコルを提案する。リレーステーションに無限大のバッファを設けることで、送信元-リレーまたはリレー-受信者リンクにおけるPU活動に起因するスルーレイのブロッキングを回避し、単一パケット保存のシンプルデコード・アンド・フォワード（SDF）プロトコルに比べ、安定性領域と遅延性能の両面で顕著な向上を達成する。

ABSTRACT

In this paper, we quantify the benefits of employing relay station in large-coverage cognitive radio systems which opportunistically access the licensed spectrum of some small-coverage primary systems scattered inside. Through analytical study, we show that even a simple decode-and-forward (SDF) relay, which can hold only one packet, offers significant path-loss gain in terms of the spatial transmission opportunities and link reliability. However, such scheme fails to capture the spatial-temporal burstiness of the primary activities, that is, when either the source-relay (SR) link or relay-destination (RD) link is blocked by the primary activities, the cognitive spectrum access has to stop. To overcome this obstacle, we further propose buffered decode-and-forward (BDF) protocol. By exploiting the infinitely long buffer at the relay, the blockage time on either SR or RD link is saved for cognitive spectrum access. The buffer gain is shown analytically to improve the stability region and average end-to-end delay performance of the cognitive relay system.

研究の動機と目的

• 主ユーザ（PU）活動の空間的・時間的バースト性に起因する認知リレーシステムの不安定性と高遅延を是正すること。
• 大カバレッジ認知無線ネットワークにおけるスルーレイアクセス機会とシステム信頼性の向上に寄与するリレーのバッファリング効果を定量化すること。
• 従来のSDFに比して安定性および遅延性能に優れたバッファ付きデコード・アンド・フォワード（BDF）プロトコルの設計と解析を行うこと。
• 異なるリレーポロコル下での安定性領域および平均エンドツーエンド遅延の閉形式表現を導出すること。
• PU活動強度が高く、PU密度が濃い状況下で、バッファゲインが性能向上に顕著に寄与することを示すこと。

提案手法

• SU送信機、SU受信機、およびビームフォーミングアンテナを装備した認知リレーステーション（RS）を有する半二重モード認知リレーシステムを提案する。
• スロット時間モデルを用い、リンクブロッキングはPUの存在を示す指標関数 a(Pij) によって定義する。
• リレー位置の最適化により空間的伝送機会とリンク信頼性を最大化することで、路損ゲインを分析する。
• リレーに無限大のバッファを設け、SRまたはRDリンクでのPU誘発ブロックが発生する間、パケットを一時保存するBDFプロトコルを導入する。
• 確率的幾何学およびキューイング理論を用いて、SDFおよびBDFプロトコル下での安定性領域および平均エンドツーエンド遅延の閉形式表現を導出する。
• バッファゲインを、PU活動強度 π0 および分布密度 ρ に依存する安定性領域の相対的改善および遅延低減として定量化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リレーの配置が、動的PUアクセスを伴う認知リレーシステムにおける路損ゲインに与える影響は何か？
• RQ2 PUの空間的分布および活動強度が、認知リレーシステムの安定性および遅延に与える影響は何か？
• RQ3 単一パケット保存方式に比べ、リレーでのバッファリングが安定性領域をどのように拡大し、エンドツーエンド遅延をどのように低減するか？
• RQ4 シンプルデコード・アンド・フォワード（SDF）プロトコルに比べ、バッファ付きデコード・アンド・フォワード（BDF）プロトコルを用いることで、スルーレイアクセス機会および信頼性にどの程度の解析的利得が得られるか？
• RQ5 路損指数 α、リレー利得 Gr、PU密度 ρ といったシステムパラメータが、BDFプロトコルにおけるバッファゲインに与える影響は何か？

主な発見

• リレーが最適配置された位置 (D∗_SR, 0) に配置された場合、路損ゲインは最大値に達し、空間的伝送機会およびリンク信頼性の向上が顕著に実現される。
• 安定性領域におけるバッファゲインは ∆λ∗ = (1 − ζ)/(1 + ζ) で与えられ、ここで ζ = (psucc,opt_SD)^{C4 * 2α/(α+2)} かつ ζ > 0 であり、すべての条件下で正のゲインを示す。
• 平均エンドツーエンド遅延におけるバッファゲインは ∆¯W = [λ²(1−λ)(1−ζ)] / [(ζ−λ)(ζ−λ/(1−λ))] で与えられ、常に正であり、PU活動強度 π0 および密度 ρ が高くなるほど増大する。
• モンテカルロシミュレーションにより、BDFプロトコルがSDFに比べ常に広い安定性領域と低い遅延を達成することが確認され、解析予測と一致する。
• より不利な状況（高いPU活動強度および高いPU密度）下でもバッファゲインが増大するため、バッファリングが動的スルーレイアクセスにおいて高い耐障害性を示すことが明らかになった。
• 提案されたBDFプロトコルは、特に高干渉環境下で顕著な性能向上を達成しており、大カバレッジ認知システムにおけるリレーのバッファリングの重要性を裏付けている。