[논문 리뷰] Cooperative Feedback for Multi-Antenna Cognitive Radio Networks

Kaibin Huang, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|2009. 11. 16.

Advanced MIMO Systems OptimizationEngineering참고 문헌 29인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 다중 안테나 코그니티브 라디오 네트워크를 위한 협업 피드백 프레임워크를 제안하며, 주 사용자(PU) 수신기로부터의 유한한 비트 피드백을 통해 부가 사용자(SU)가 인지 beamforming(CB)을 수행할 수 있도록 한다. PU는 양자화된 SU-PU 채널 방향 정보(CDI)와 간섭 전력 제어(IPC) 신호를 피드백하여, SU가 간섭을 억제하면서도 Throughput를 극대화할 수 있도록 beamformer를 설계할 수 있도록 한다. 주요 기여는 SU의 서브스크립션 확률을 최소화하기 위해 CDI와 IPC 피드백 간의 비트 할당 트레이드오프를 규명하는 데 있다.

ABSTRACT

Cognitive beamforming (CB) is a multi-antenna technique for efficient spectrum sharing between primary users (PUs) and secondary users (SUs) in a cognitive radio network. Specifically, a multi-antenna SU transmitter applies CB to suppress the interference to the PU receivers as well as enhance the corresponding SU-link performance. In this paper, for a multiple-input-single-output (MISO) SU channel coexisting with a single-input-single-output (SISO) PU channel, we propose a new and practical paradigm for designing CB based on the finite-rate cooperative feedback from the PU receiver to the SU transmitter. Specifically, the PU receiver communicates to the SU transmitter the quantized SU-to-PU channel direction information (CDI) for computing the SU transmit beamformer, and the interference power control (IPC) signal that regulates the SU transmission power according to the tolerable interference margin at the PU receiver. Two CB algorithms based on cooperative feedback are proposed: one restricts the SU transmit beamformer to be orthogonal to the quantized SU-to-PU channel direction and the other relaxes such a constraint. In addition, cooperative feedforward of the SU CDI from the SU transmitter to the PU receiver is exploited to allow more efficient cooperative feedback. The outage probabilities of the SU link for different CB and cooperative feedback/feedforward algorithms are analyzed, from which the optimal bit-allocation tradeoff between the CDI and IPC feedback is characterized.

연구 동기 및 목표

• SUs가 주 사용자(PU)에 대한 해로운 간섭을 피하기 위해 간섭 채널 지식이 필요로 하는 코그니티브 라디오 네트워크에서 완벽한 CSI 확보의 비현실성을 해결하기 위해.
• PU 수신기로부터의 유한한 비트 피드백을 활용하여 MISO SU와 SISO PU의 공존 환경에서 실용적인 인지 beamforming(CB)을 가능하게 하기 위해.
• CDI와 IPC 피드백 비트를 균형 있게 배분하여 SU의 서브스크립션 확률을 최소화하는 CB 알고리즘과 피드백 전략을 공동 설계하기 위해.
• 피드백 효율성과 시스템 성능 향상을 위해 SU의 CSI를 협업적으로 피드포워드하는 방법을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 직교 인지 beamforming(OCB)과 비직교 인지 beamforming(NOCB)을 위한 두 가지 CB 알고리즘을 제안한다. OCB는 SU beamformer가 양자화된 SU-PU 채널 방향과 수직이 되도록 제약을 둔다. NOCB는 이 제약 조건을 완화한다.
• PU 수신기가 양자화된 채널 방향 정보(CDI)와 간섭 전력 제어(IPC) 신호를 SU 송신기로 전송하는 협업 피드백 모델을 도입한다.
• PU 수신기에서 허용 가능한 간섭 마진을 기반으로 IPC 신호의 양자화 전략을 적용하여, SU의 전력 적응을 동적으로 가능하게 한다.
• SU 송신기에서 PU 수신기로 SU 채널 상태 정보(CSI)를 협업적으로 피드포워드하여 피드백 효율성과 beamformer 설계를 향상시킨다.
• 다양한 피드백 및 beamforming 방식 하에서 SU 링크의 서브스크립션 확률을 분석하고, 성능 평가를 위한 닫힌 형태의 표현식을 유도한다.
• 이상적 분석과 서브스크립션 확률 표현식을 활용하여, SU 서브스크립션을 최소화하기 위한 CDI와 IPC 피드백 비트 간의 최적 비트 할당 트레이드오프를 특성화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완벽한 CSI 확보가 불가능한 다중 안테나 SU와 SISO PU 공존 환경에서, SU 송신기에서 인지 beamforming을 어떻게 실용적으로 구현할 수 있는가?
• RQ2 협업 피드백 프레임워크에서 채널 방향 정보(CDI)와 간섭 전력 제어(IPC) 신호에 할당된 피드백 비트 간의 최적 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ3 제안된 협업 피드백 모델 하에서, SU 링크의 서브스크립션 성능은 피드백 비트율과 시스템 파라미터에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 PU 피드백 외에 SU CSI의 협업 피드포워드를 도입함으로써 얻을 수 있는 성능 향상은 무엇인가?
• RQ5 유한한 비트 피드백 하에서 OCB와 NOCB 방식은 서브스크립션 확률과 피드백 효율성 측면에서 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 제안된 협업 피드백 프레임워크는 PU 수신기로부터의 유한한 비트 피드백만으로도 다중 안테나 코그니티브 라디오 네트워크에서 효과적인 인지 beamforming을 가능하게 한다.
• 피드백 비트가 CDI와 IPC 신호 간에 최적으로 할당될 경우 SU 링크의 서브스크립션 확률이 최소화되며, 이 트레이드오프는 시스템의 다각도 순서와 피드백 비트율에 의해 특성화된다.
• 직교 제약 조건을 완화함으로써 비직교 인지 beamforming(NOCB)이 OCB보다 더 낮은 서브스크립션 확률을 달성한다.
• CDI와 IPC 피드백 간의 최적 비트 할당은 해석적으로 유도되었으며, CDI 피드백 비트를 늘릴수록 다각도 이득이 향상되고, IPC 피드백은 전력 적응을 향상시킨다.
• 협업적인 SU CSI 피드포워드는 피드백 효율성을 크게 향상시키고, 특히 저SNR 환경에서 서브스크립션을 감소시킨다.
• 이상적 분석을 통해 서브스크립션 확률이 피드백 비트율에 따라 지수적으로 감소하며, 다각도 이득은 피드백 비트 수와 채널 이득에 비례함을 확인하였다.