[논문 리뷰] A Fair Scheduling Model for Centralized Cognitive Radio Networks

Didem Gözüpek, Fatih Alagöz|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 09.

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing참고 문헌 38인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 다중 안테나를 갖춘 이질적 다중채널 환경에서 다수의 이차 사용자를 위한 중심 집중식 인지 무선 네트워크를 위한 일반화된 공정 스케줄링 모델을 제안한다. 최근의 전송 용량 기록을 창문 기반 메커니즘을 통해 통합함으로써, 시간적 공정성과 전송 용량 공정성을 동시에 확보하면서도 주 사용자 보호, 신뢰할 수 있는 CBS-SU 간 통신, 충돌 방지를 보장한다. 시뮬레이션 결과, 히우리스틱 알고리즘이 CPLEX 및 KNITRO 솔루션에 근접한 near-최적 성능을 달성함을 보여준다.

ABSTRACT

We formulate throughput maximizing, max-min fair, weighted max-min fair, and proportionally fair scheduling problems for cognitive radio networks managed by a centralized cognitive base station. We propose a very general scheduling model accomplishing goals such as making frequency, time slot, and data rate allocation to secondary users with possibly multiple antennas, in a heterogenous multi-channel and multi-user scenario. Moreover, our schedulers ensure that reliable communication between the cognitive base station and secondary users are maintained, no collisions occur among secondary users, and primary users in the service area of the cognitive base station are not disturbed. Two distinctive features of our fair schedulers are that they provide joint temporal and throughput fairness, and take throughput values experienced by secondary users in the recent past, referred to as window size, into account and use this information in the current scheduling decision. We also propose a heuristic algorithm for our fair schedulers and demonstrate through simulations that our proposed heuristic yields very close solutions to the values obtained from the optimization softwares. Furthermore, we make extensive simulations to evaluate our schedulers' performance in terms of both total throughput and fairness for varying number of secondary users, frequencies, antennas, and window size.

연구 동기 및 목표

• 동적 스펙트럼 접근를 수반한 중심 집중식 인지 무선 네트워크에서 공정하고 효율적인 자원 할당 문제를 해결하기 위해.
• 이차 사용자 간의 신뢰할 수 있는 통신을 유지하면서도 주 사용자가 간섭을 받지 않도록 보장하기 위해.
• 최대-최소, 가중 최대-최소, 비례 공정성과 같은 다양한 공정 기준을 지원하는 통합 스케줄링 프레임워크를 개발하기 위해.
• 최근의 전송 용량 성능(창문 기반 메커니즘을 통해)을 현재 스케줄링 결정에 통합하여 공정성과 전송 용량의 균형을 이루기 위해.
• 상용 최적화 소프트웨어의 최적 솔루션에 근접한 근사치를 제공하는 히우리스틱 알고리즘을 설계하기 위해.

제안 방법

• 중앙집중식 제어 하에 전송 용량 최적화, 최대-최소 공정성, 가중 최대-최소 공정성, 비례 공정성의 네 가지 스케줄링 문제를 수립한다.
• 이차 사용자의 최근 전송 용량 값을 저장하는 창문 기반 메커니즘을 도입하여 현재 스케줄링 결정에 정보를 제공한다.
• 최대-최소 및 비례 공정성에 특화된 근사 알고리즘을 설계하며, 다양한 공정 기준에 적응 가능하도록 한다.
• 이차 전송 중 주 사용자에게 간섭이나 탐지가 발생하지 않도록 하여 주 사용자 보호를 확보한다.
• 시간과 주파수 할당을 조율하여 이차 사용자 간의 충돌을 방지한다.
• 다중 안테나 및 채널 환경에서 주파수, 시간 슬롯, 전송 용량 할당을 통합 최적화하는 프레임워크를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중심 집중식 인지 기반국이 동적 스펙트럼 접근 환경에서 시스템 전송 용량을 극대화하면서도 주 사용자를 보호하고 공정한 스펙트럼 자원 할당을 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ2 과거의 전송 용량 성능을 통합함으로써, 동적 스펙트럼 접근 환경에서 공정성과 네트워크 적응성은 어느 정도 향상되는가?
• RQ3 계산 비용이 큰 최적화 소프트웨어에 의존하지 않고도 히우리스틱 알고리즘이 공정 스케줄링 문제에서 near-최적 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ4 사용자 수와 채널 이질성과 같은 다양한 네트워크 조건에서 최대-최소, 가중 최대-최소, 비례 공정성 기준의 성능은 어떻게 달라지는가?
• RQ5 스케줄링 메커니즘에서 창문 크기를 조정할 때, 총 전송 용량과 공정성 사이의 상충 관계는 어떻게 나타나는가?

주요 결과

• 제안된 히우리스틱 알고리즘은 CPLEX 및 KNITRO 최적화 소프트웨어의 성능에 매우 가까운 스케줄링 성능을 달성하여 실용성의 타당성을 입증한다.
• 창문 크기를 증가시켜도 최대-최소 또는 비례 공정 스케줄러의 성능은 저하되지 않으며, 가중 최대-최소 공정 스케줄링에서는 총 전송 용량이 증가하지만 목표 가중치에서의 편차가 증가한다.
• 이차 사용자가 소수일 경우, 전송 용량 최적화 스케줄러는 공정 스케줄러에 비해 공정성 지수는 약간 낮게 유지되며, 실용적인 선택이 될 수 있다.
• 많은 이차 사용자와 높은 채널 이질성 조건에서 비례 공정 스케줄러는 최대-최소 공정 스케줄링보다 공정성과 총 전송 용량 사이의 균형을 더 잘 확보한다.
• 가중 최대-최소 공정 스케줄러는 목표 가중치에 기반한 우선순위 기반 전송 용량 할당을 가능하게 하여 서비스의 차별화를 실현한다.
• 창문 기반 메커니즘이 일시적인 전송 용량 손실을 효과적으로 보완하여 시간이 지남에 따라 공정성을 향상시키면서도 시스템 효율성을 훼손하지 않는다.