[논문 리뷰] Cooperative Beamforming for Cognitive Radio-Based Broadcasting Systems with Asynchronous Interferences

Mai H. Hassan, Md. Jahangir Hossain|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 08.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 30인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 분산된 협업 코그니티브 라디오 노드(CCRNs)로 인해 주파수 대역 간섭이 발생하는 코그니티브 라디오 브로드캐스트 시스템에서 비동기 간섭을 완화하는 강건한 협업 beamforming 기법을 제안한다. 두 단계의 부분 최적화 설계—먼저 beamforming 방향을 결정하고, 그 다음 간섭 제약 조건 하에서 전력 할당을 수행함으로써, 완벽한 채널 상태 정보(CSI)가 없거나 통계적 CSI일 경우에도 ZFBF 대비 2차 사용자들의 합산 전송률을 최대 64% 향상시키며, CCRN 선택을 통해 추가로 45%의 성능 향상을 달성한다.

ABSTRACT

In order to address the asynchronous interference issue for a generalized scenario with multiple primary and multiple secondary receivers, in this paper, we propose an innovative cooperative beamforming technique. In particular, the cooperative beamforming design is formulated as an optimization problem that maximizes the weighted sum achievable transmission rate of secondary destinations while it maintains the asynchronous interferences at the primary receivers below their target thresholds. In light of the intractability of the problem, we propose a two-phase suboptimal cooperative beamforming technique. First, it finds the beamforming directions corresponding to different secondary destinations. Second, it allocates the power among different beamforming directions. Due to the multiple interference constraints corresponding to multiple primary receivers, the power allocation scheme in the second phase is still complex. Therefore, we also propose a low complex power allocation algorithm. The proposed beamforming technique is extended for the cases, when cooperating CR nodes (CCRNs) have statistical or erroneous channel knowledge of the primary receivers. We also investigate the performance of joint CCRN selection and beamforming technique. The presented numerical results show that the proposed beamforming technique can significantly reduce the asynchronous interference signals at the primary receivers and increase the sum transmission rate of secondary destinations compared to the well known zero-forcing beamforming (ZFBF) technique.

연구 동기 및 목표

• 협업 코그니티브 라디오 네트워크에서 분산된 CCRNs로 인한 주파수 대역 간섭을 완화하기 위한 목표.
• 주파수 대역 간섭이 임계치 이하로 유지되도록 하면서 2차 수신기의 가중치 합산 전송률을 최대화하기 위한 목표.
• 부분 최적의 두 단계 beamforming 설계를 개발하여, 불완전하거나 통계적 채널 상태 정보(CSI)에 대해 강건한 성능을 확보하기 위한 목표.
• 2차 시스템 성능 향상을 위해 CCRN 선택과 beamforming을 통합하여 연구하기 위한 목표.
• 채널 추정 오차 및 부분적 CSI와 같은 실용적 조건 하에서의 성능 평가를 위한 목표.

제안 방법

• 2단계 협업 beamforming 설계를 수립: 첫 번째 단계에서 부분 최적 방법을 사용해 각 2차 수신기의 beamforming 방향을 결정한다.
• 두 번째 단계에서 다수의 주파수 대역 간섭 수신기로부터의 다중 간섭 제약 조건 하에서 beamforming 방향 간 전력 할당을 수행한다.
• 채널 추정 오차나 통계적 CSI가 존재하는 상황에서도 간섭 임계치를 유지할 수 있도록 강건한 beamforming 벡터 설계를 적용한다.
• 다중 간섭 제약 조건이 존재하더라도 계산 부담을 줄이기 위해 저복잡도 전력 할당 알고리즘을 도입한다.
• 2차 합산 전송률 기여도와 주파수 대역 간섭 영향을 고려해 노드를 선택하는 방식으로 CCRN 선택과 beamforming을 통합한 전략을 적용한다.
• 주파수 대역 간섭을 제거하기 위해 직교 투영 기법을 사용하여, ZFBF 프레임워크를 비동기 신호 처리에까지 확장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다수의 CCRNs와 다수의 주파수 대역 수신기를 갖는 코그니티브 라디오 시스템에서, 비동기 신호로 인한 주파수 대역 간섭을 최소화할 수 있는 협업 beamforming 설계 방법은 무엇인가?
• RQ2 불완전한 CSI 조건 하에서 강건 beamforming을 사용할 경우, 기존의 ZFBF 대비 2차 합산 전송률 향상은 어느 정도인가?
• RQ3 채널 추정 오차는 간섭 임계치 위반에 어떤 영향을 미치며, 강건 beamforming 설계로 이를 완화할 수 있는가?
• RQ4 실시간 CSI 대비 통계적 CSI를 사용할 경우 간섭 제약 조건 이행 및 2차 합산 전송률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 CCRN 선택과 beamforming을 통합하면 2차 합산 전송률이 얼마나 더 향상되며, 그 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 제안된 강건 beamforming 기법은 ZFBF보다 주파수 대역 간섭을 더 효과적으로 줄이며, 특히 채널 추정 오차가 존재할 경우 뚜렷한 우월성을 보인다.
• 완벽한 CSI 조건 하에서 제안된 beamforming 기법은 ZFBF 대비 2차 수신기의 합산 전송률을 최대 64% 향상시킨다.
• 채널 추정 오차가 존재할 경우, 기존의 LBF 대비 강건 beamforming 설계가 간섭 제약 조건을 더 신뢰성 있게 유지하며 빈번한 임계치 위반을 방지한다.
• 실시간 CSI 대신 통계적 CSI만 이용할 경우, 강건 beamforming 기법은 간섭 임계치 위반 확률을 최대 允許값(ε = 0.1) 이내로 유지한다.
• CCRN 선택과 beamforming을 통합함으로써, 선택 없이 모든 CCRN을 사용하는 경우 대비 2차 합산 전송률을 최대 45% 향상시킨다.
• 저복잡도 전력 할당 알고리즘은 다중 간섭 제약 조건을 효과적으로 관리하여, beamforming 설계의 실시간 구현 가능성을 높인다.