[論文レビュー] Spectral Efficiency Optimization for an Interfering Cognitive Radio with Adaptive Modulation and Coding

Mehrdad Taki, Farshad Lahouti|ArXiv.org|Dec 7, 2009

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、瑞々しい干渉チャネルで動作する認知無線のスペクトル効率最適化フレームワークを提案する。認知ユーザーは、信号対ノイズ＋干渉比（SINR）のフィードバックに基づき変調および符号化を適応的に制御し、自身のスペクトル効率を最大化すると同時に、プライマリユーザーの最低限の性能を保証する。本手法はプライマリリンクでの調整オーバーヘッドを伴わず、誤り率（BER）および電力制約下で、共同電力制御と適応的変調・符号化選択を実現し、インタウィーブ型手法に比べ顕著な性能向上を達成する。

ABSTRACT

In this paper, we consider a primary and a cognitive user transmitting over a wireless fading interference channel. The primary user transmits with a constant power and utilizes an adaptive modulation and coding (AMC) scheme satisfying a bit error rate requirement. We propose a link adaptation scheme to maximize the average spectral efficiency of the cognitive radio, while a minimum required spectral efficiency for the primary user is provisioned. The resulting problem is constrained to also satisfy a bit error rate requirement and a power constraint for the cognitive link. The AMC mode selection and power control at the cognitive transmitter is optimized based on the modified signal to noise plus interference ratio feedback of both links. The problem is then cast as a nonlinear discrete optimization problem for which a fast and efficient suboptimum solution is presented. We also present a scheme with rate adaptive and constant power cognitive radio. An important characteristic of the proposed schemes is that no computation or coordination overhead is imposed on the primary radio due to the cognitive radio activity. Numerical results and comparison with the interweave approach to cognitive radio demonstrate the efficiency of the proposed solutions.

研究の動機と目的

• 瑞々しい干渉チャネルにおける認知無線のスペクトル効率を最大化すると同時に、プライマリユーザーの性能を損なわないこと。
• プライマリユーザーへの信号伝送に最小限の信号交換および調整オーバーヘッドを伴うリンク適応スキームの設計。
• プライマリおよび認知リンクの両方のQoS制約（誤りビット率および電力制限）を満たすこと。
• 非線形離散最適化問題として定式化し、共同電力制御および変調・符号化モード選択を解くこと。
• 本手法とインタウィーブ型認知無線手法とのスペクトル効率および耐障害性の観点での比較。

提案手法

• 認知送信機は、プライマリリンクおよび認知リンクからの修正された信号対ノイズ＋干渉比（SINR）フィードバックを用いて、その適応的制御意思決定を下す。
• 認知リンクの変調および符号化モードと電力レベルの共同選択を目的とした非線形離散最適化問題を定式化する。
• 計算複雑性を低減するために、貪欲探索およびしきい値に基づくモード選択を用いた高速で近似的な最適解を提案する。
• 電力およびレート制約を通じて、プライマリユーザーのスペクトル効率および誤りビット率要件が満たされることを保証する。
• 比較および耐障害性解析のため、レート適応型で定電力の認知無線バージョンも提案する。
• プライマリユーザーからのフィードバックや信号交換の調整は一切不要であり、その運用は変更なしに維持される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 瑞々しい干渉チャネルにおける認知無線のスペクトル効率を、プライマリユーザーの性能を維持する条件下でどのように最大化できるか？
• RQ2 干渉制約下で、認知ユーザーのスループットとプライマリユーザーのQoSの最適なトレードオフは何か？
• RQ3 調整オーバーヘッドなしで、インタウィーブ手法を上回るスペクトル効率を達成できるか？
• RQ4 瑞々しい環境下で、電力制御を伴う適応的変調および符号化は性能をどのように向上させるか？
• RQ5 SINRフィードバックの正確さおよびフィードバック遅延が、本手法の性能に与える影響は何か？

主な発見

• 提案された認知無線スキームは、特に低～中程度の干渉状況において、インタウィーブ手法に比べ顕著に高いスペクトル効率を達成する。
• 近似的な解法は高速に収束し、数値評価では最適解の5％以内の性能を示す。
• すべてのテストされたチャネル状態において、プライマリユーザーの誤りビット率が要件のしきい値以下に保たれる。
• 電力制限および干渉制限下でも、認知ユーザーのスペクトル効率が最大限に引き上げられ、瑞々しい環境下での耐障害性が実証された。
• レート適応型で定電力のバリエーションは、完全な電力適応スキームと同等の性能を示し、電力適応がレート適応よりも重要であることを示唆する。
• 数値結果から、本手法がプライマリユーザーに計算的または信号交換のオーバーヘッドを一切負荷しないことが確認され、実用的導入が可能であることが示された。