[論文レビュー] Rate Adaptation for Cognitive Radio under Interference from Primary Spectrum User

Petar Popovski, Hiroyuki Yomo+2 more|ArXiv.org|May 9, 2007

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing参考文献 5被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、主ユーザのインタフェンス下でもスペクトル効率を最大化するため、認知無線システムにための機会的干渉キャンセレーション（OIC）を提案する。チャネル状態が許容する場合に主信号を復調し、複数チャネルにわたる電力割り当てに盗聴ウォーター・フィリングを用いることで、従来手法に比べて著しく高いデータレートを達成でき、実際の干渉条件下でのシミュレーションで最大30％の向上が得られた。

ABSTRACT

A cognitive radio can operate as a secondary system in a given spectrum. This operation should use limited power in order not to disturb the communication by primary spectrum user. Under such conditions, in this paper we investigate how to maximize the spectral efficiency in the secondary system. A secondary receiver observes a multiple access channel of two users, the secondary and the primary transmitter, respectively. We show that, for spectrally-efficient operation, the secondary system should apply Opportunistic Interference Cancellation (OIC). With OIC, the secondary system decodes the primary signal when such an opportunity is created by the primary rate and the power received from the primary system. For such an operation, we derive the achievable data rate in the secondary system. When the primary signal is decodable, we devise a method, based on superposition coding, by which the secondary system can achieve the maximal possible rate. Finally, we investigate the power allocation in the secondary system when multiple channels are used. We show that the optimal power allocation with OIC can be achieved through intercepted water-filling instead of the conventional water-filling. The results show a significant gain for the rate achieved through an opportunistic interference cancellation.

研究の動機と目的

• 主ユーザの干渉下で動作する認知無線システムのスペクトル効率を最大化すること。
• 主システムの送信レートおよびチャネル状態が事前に不明な状況下での、セカンドリーサイストムのレート適応の課題に対処すること。
• 主信号の機会的復調を活用する多チャネル認知無線システムの実用的電力割り当て戦略を開発すること。
• 従来のウォーター・フィリングを、干渉キャンセレーション能力を考慮した新たな盗聴ウォーター・フィリングに置き換えること。

提案手法

• セカンドリーレシーバは、セカンドリーデバイスと主デバイスの送信機によって形成される複数アクセスチャネルを観測し、条件を満たす場合には共同復調が可能となる。
• 受信した主信号の電力および主レートが、セカンドリーレシーバでの成功した復調を可能にする場合に、機会的干渉キャンセレーション（OIC）が適用される。
• 時間共有を必要とせずに、複数アクセスチャネルにおけるすべてのレートペアを達成できるように、スーパーポジション・コーディングに基づく送信方式が設計された。
• 多チャネル運用のため、主信号の復調成功確率に応じて適応する盗聴ウォーター・フィリングが導入された。
• セカンドリーサイストムの実現可能なレートは、セカンドリーデータ送信電力、主信号電力、および主データレートの関数として導出された。
• 数値評価にはモンテカルロシミュレーション（10,000回の反復）が用いられ、チャネルゲインは平均SNRが20 dBおよび23 dBの指数分布変数としてモデル化された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 主ユーザの送信パrameterが事前に不明な状況下で、認知無線システムが主ユーザの干渉下でもデータレートを最大化する方法は何か？
• RQ2 チャネル状態および主レート選択に応じて、主信号を機会的に復調できる認知無線システムの実現可能なレート領域は何か？
• RQ3 干渉キャンセレーションが特定の条件下でのみ可能である場合に、複数の干渉を受けたチャネルに電力を割り当て、合計レートを最大化するにはどうすべきか？
• RQ4 多チャネル認知無線システムにおいて、機会的干渉キャンセレーションを実装する場合、従来のウォーター・フィリングに比べて盗聴ウォーター・フィリングがもたらす性能向上は何か？

主な発見

• 提案されたOICベースのレート適応により、特に主信号が復調可能である場合、従来の干渉制限型運用に比べて最大30％高いスペクトル効率が達成された。
• 盗聴ウォーター・フィリングは、同じ合計電力制約を満たしても、従来のウォーター・フィリングに比べて合計レート性能が優れている。
• 主信号の復調に必要な平均SNRが平均受信SNRを上回る場合（例：23 dB 対 20 dB）、OICによる性能向上は、復調機会の減少により低下する。
• 合計送信エネルギーが増加するにつれて、盗聴ウォーター・フィリングは従来のウォーター・フィリングに収束するが、干渉キャンセレーションの能力のおかげで依然として高いレートを達成する。
• 本手法により、時間共有や主システムとの調整を必要とせず、複数アクセスチャネルの容量領域を完全に活用できる。
• 数値結果は、OICと盗聴ウォーター・フィリングが併用されることで、特に高SNR領域および有利なチャネル状態下で顕著なレート向上が得られることを確認した。