[논문 리뷰] A Quasi-random Algorithm for Anonymous Rendezvous in Heterogeneous Cognitive Radio Networks

Cheng‐Shang Chang, Yeh-Cheng Chang외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 19.

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing참고 문헌 19인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 이질적 인지 방송망에서 익명적인 만남을 위한 준무작위(Quasi-Random, QR) 채널 점프 알고리즘을 제안한다. 이 알고리즘은 고유 식별자 없이 대칭적이고 비동기적이며 다중 라디오 환경에서도 작동 가능하며, 예상 만남 시간(Expected Time-To-Rendezvous, ETTR)은 무작위 알고리즘과 유사하고, 최대 만남 시간(Maximum Time-To-Rendezvous, MTTR)는 이론적 하한에 매우 가까운 성능을 보이며, 다양한 네트워크 조건에서도 기존 기법들을 능가한다.

ABSTRACT

The multichannel rendezvous problem that asks two secondary users to rendezvous on a common available channel in a cognitive radio network (CRN) has received a lot of attention lately. Most rendezvous algorithms in the literature focused on constructing channel hopping (CH) sequences that guarantee finite maximum time-to-rendezvous (MTTR). However, these algorithms perform rather poorly in terms of the expected time-to-rendezvous (ETTR) even when compared to the simple random algorithm. In this paper, we propose the quasi-random (QR) CH algorithm that has a comparable ETTR to the random algorithm and a comparable MTTR to the best bound in the literature. Our QR algorithm does not require the unique identifier (ID) assumption and it is very simple to implement in the symmetric, asynchronous, and heterogeneous setting with multiple radios. In a CRN with $N$ commonly labelled channels, the MTTR of the QR algorithm is bounded above by $9 M \lceil n_1/m_1 ceil \cdot \lceil n_2/m_2 ceil$ time slots, where $n_1$ (resp. $n_2$) is the number of available channels to user $1$ (resp. 2), $m_1$ (resp. $m_2$) is the number of radios for user $1$ (resp. 2), and $M=\lceil \lceil \log_2 N ceil /4 ceil *5+6$. Such a bound is only slightly larger than the best $O((\log \log N) \frac{n_1 n_2}{m_1 m_2})$ bound in the literature. When each SU has a single radio, the ETTR is bounded above by $\frac{n_1 n_2}{G}+9Mn_1n_2 \cdot (1-\frac{G}{n_1 n_2})^M$, where $G$ is the number of common channels between these two users. By conducting extensive simulations, we show that for both the MTTR and the ETTR, our algorithm is comparable to the simple random algorithm and it outperforms several existing algorithms in the literature.

연구 동기 및 목표

• 기존의 만남 알고리즘이 좋은 최대 만남 시간(MTTR) 경계를 보이지만 높은 예상 만남 시간(ETTR)을 보이는 인지 방송망의 한계를 해결하기 위해.
• 대칭적이고 비동기적이며 이질적인 환경에서 다중 라디오를 지원하는 단순하고 익명적이며 강건한 채널 점프 기법을 설계하기 위해.
• 무작위 알고리즘과 유사한 ETTR 성능을 확보하면서도, 문헌에서 알려진 최고의 이론적 하한에 가까운 MTTR를 유지하기 위해.
• 고유 식별자(ID)에 의존하는 것을 제거하여 분산 환경에서 조작 공격에 대한 저항성을 향상시키기 위해.

제안 방법

• QR 알고리즘은 수정된 4B5B 인코딩 방식을 기반으로 한 결정적이지만 준무작위적인 순서 생성 방식을 사용하여 상관성이 낮고 균일한 커버리지가 보장되는 채널 점프 패턴을 생성한다.
• 이 알고리즘은 사전 동기화나 고유 식별자가 없더라도 각 보조 사용자(SU)가 공통의 가용 채널에서 겹치는 확률을 최대화할 수 있도록 보장한다.
• MTTR는 매개변수 $ n_1, n_2 $ (각 SU의 가용 채널 수), $ m_1, m_2 $ (라디오 수), 및 $ M = \lceil \lceil \log_2 N \rceil / 4 \rceil \cdot 5 + 6 $ 를 사용해 최악의 경우 겹침을 분석함으로써 경계된다.
• ETTR는 확률적 분석을 통해 유도되며, $ \frac{n_1 n_2}{G} + 9M n_1 n_2 \cdot \left(1 - \frac{G}{n_1 n_2}\right)^M $ 로 경계되며, 여기서 $ G $ 는 공통 채널 수이다.
• 이 기법은 학습 없이도 작동하는 오브리버스(omniscient) 설계를 하여, 실패한 만남 시도에 대한 정보를 수집하지 않으며, 다중 라디오 운영과 호환된다.
• 알고리즘은 채널 수, 공통 채널 수, 라디오 수 등 다양한 네트워크 파라미터를 기반으로 광범위한 시뮬레이션을 통해 평가되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이질적이고 익명적이며 비동기적인 인지 방송망에서, 무작위 알고리즘과 유사한 ETTR 성능을 확보하면서도 유한한 MTTR를 유지할 수 있는 만남 알고리즘이 존재하는가?
• RQ2 기존 최첨단 알고리즘인 GCR, AMRR/M, FMRR, JS/I와 비교했을 때, 제안된 QR 알고리즘의 MTTR 및 ETTR 성능은 어떠한가?
• RQ3 고유 식별자가 없는 것이 만남 알고리즘의 성능과 강건성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 가용 채널 수, 공통 채널 수, 라디오 수가 QR 알고리즘의 MTTR 및 ETTR에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모든 시뮬레이션 설정에서 QR 알고리즘의 ETTR는 무작위 알고리즘과 거의 동일하며, 예상 성능에서 결정적 기법들보다 뚜렷이 뛰어나다.
• QR 알고리즘의 MTTR는 $ 9M \lceil n_1/m_1 \rceil \cdot \lceil n_2/m_2 \rceil $ 로 상한선이 설정되며, 이는 문헌에서 알려진 최고의 $ O((\log \log N) \frac{n_1 n_2}{m_1 m_2}) $ 경계에 비해 약간 높을 뿐이다.
• 고정된 공통 채널 수($ G=2 $) 조건에서의 시뮬레이션에서, QR의 MTTR는 GCR, AMRR/M, FMRR, 무작위 알고리즘과 유사했으며, $ O(N^3) $ MTTR를 가지는 JS/I보다 뚜렷이 뛰어났다.
• 공통 채널 수가 $ N $ 과 함께 증가할 경우, QR 알고리즘은 낮은 ETTR과 MTTR를 유지하며, ETTR는 무작위 알고리즘과 거의 구분되지 않았다.
• 라디오 수($ m_1, m_2 $)를 늘릴수록 MTTR와 ETTR가 일관되게 감소하여, 다중 라디오 기능이 성능에 긍정적인 영향을 미친다는 것을 확인했다.
• 고유 식별자가 필요 없이도 이질적 환경에서 강건성을 확보하여, 조작 공격에 저항하고 실세계 구현에 적합함을 입증했다.