[論文レビュー] Vandermonde Frequency Division Multiplexing for Cognitive Radio

Leonardo S. Cardoso, Mari Kobayashi+2 more|ArXiv.org|Mar 6, 2008

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing被引用数 29

ひとこと要約

本稿では、認知無線における線形プレフィンガー方式として、バーデルモンド周波数分割多重（VFDM）を提案する。この方式により、主ユーザーのメッセージを知らなくても、二次ユーザーが干渉を引き起こさずに送信可能である。サイクリックプレフィックスの冗長性を活用し、干渉チャネルにマッチしたバーデルモンド行列プレフィンガーを用いることで、主ユーザー受信機での干渉をゼロに抑える。実用的な802.11a環境（10 dB SNR）下で、二次ユーザーは最大8.44 Mbpsの非無視可能なデータレートを達成可能である。

ABSTRACT

We consider a cognitive radio scenario where a primary and a secondary user wish to communicate with their corresponding receivers simultaneously over frequency selective channels. Under realistic assumptions that the secondary transmitter has no side information about the primary's message and each transmitter knows only its local channels, we propose a Vandermonde precoder that cancels the interference from the secondary user by exploiting the redundancy of a cyclic prefix. Our numerical examples show that VFDM, with an appropriate design of the input covariance, enables the secondary user to achieve a considerable rate while generating zero interference to the primary user.

研究の動機と目的

• 二次送信機が主ユーザーのメッセージを知らなくても、主ユーザーに干渉を引き起こさない実用的な認知無線伝送方式を設計すること。
• 現実的な仮定の下で動作すること：各送信機は自局のチャネル状態のみを知り、送信機間でのメッセージ共有は行われない。
• OFDMにおけるサイクリックプレフィックスの冗長性を活用し、構造的な線形プレフィンガーを用いて干渉キャンセレーションを実現すること。
• 最適な入力共分散設計により、主ユーザー受信機での干渉をゼロに保ちながら、二次ユーザーの実現可能レートを最大化すること。
• VFDMが、IEEE 802.11aのような実用的認知無線環境において顕著なスペクトル効率の向上を達成できることを示すこと。

提案手法

• 提案されるVFDM方式では、主送信機から二次受信機へのチャネルインパルス応答に基づいて設計されたバーデルモンド行列をプレフィンガーとして用いる。
• プレフィンガーは、バーデルモンド構造と周波数選択的チャネルとの直交性を活用し、主ユーザー受信機での干渉を消去する。
• 干渉信号がサイクリックプレフィックスの冗長性によりゼロとなるように、チャネル応答 h^(21) に対応する L 個の根を用いてプレフィンガーを構築する。
• 二次ユーザーの入力共分散を最適化するため、ウォーターフィリングに基づくパワー割り当て戦略にグリーディ選択手順を組み合わせる。
• OFDMにおける N 割り当てサブキャリアとサイズ L のサイクリックプレフィックスを想定し、周波数選択フェージングと送信機における完全な局所チャネル状態情報の下で分析を行う。
• 有効チャネル行列のランクが、バーデルモンド行列の根の大きさに強く依存することが示され、これは実現可能レートに影響を与える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二次送信機が主ユーザーのメッセージを知らなくても、線形プレフィンガー方式で主ユーザー受信機での干渉をキャンセル可能か？
• RQ2 現実的なチャネル仮定下で、二次ユーザーがゼロでないデータレートを達成しつつ、主ユーザーに干渉を完全に回避できる範囲はどの程度か？
• RQ3 VFDMフレームワーク下で、二次ユーザーの入力共分散設計が実現可能レートに与える影響は何か？
• RQ4 サイクリックプレフィックスのサイズとチャネル根の分布が、バーデルモンドプレフィンガーのランクと性能に与える影響は何か？
• RQ5 VFDMを一般化し、干渉キャンセリングと二次ユーザーのレートの間でトレードオフを可能にすることができるか？

主な発見

• VFDMは、サイクリックプレフィックスの冗長性と、バーデルモンドプレフィンガーと干渉チャネルとの直交性を活用することで、主ユーザー受信機での干渉をゼロに抑える。
• 最適なウォーターフィリングパワー割り当てとグリーディチャネル選択を組み合わせた結果、IEEE 802.11aに類似した環境下で、10 dB SNRにおいて主ユーザーは36 Mbpsの目標レートを維持し、二次ユーザーは8.44 Mbpsのデータレートを達成した。
• 干渉が存在する場合（σ₁₂ > 0）、入力共分散設計にかかわらず、SNRが増加しても二次ユーザーのレートは上限に達する。
• 実現可能レートに重要な有効チャネル行列のランクは、バーデルモンド根の振幅に敏感に依存し、特に N と L が大きい場合、単位円の外側に位置する根はランクを著しく低下させる。
• 固定比 c = L/N の下で、ランクが低下する臨界プレフィックスサイズ L* が存在し、これは性能設計におけるトレードオフを示唆する。
• 提案された入力共分散最適化は、特に干渉が弱い場合（σ₁₂ = 0.01 以下）に等価パワー割り当てに比べて顕著なレート向上をもたらす。