[논문 리뷰] Cooperative Prediction-and-Sensing Based Spectrum Sharing in Cognitive Radio Networks

Van‐Dinh Nguyen, Oh‐Soon Shin|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 24.

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing참고 문헌 32인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 인공지능 기반의 협업 예측 및 감지 기반 스펙트럼 공유(PSBSS) 프레임워크를 제안하며, 스펙트럼 예측과 감지를 통합한 시간 구조화된 자원 블록을 제공한다. 전송 beamforming과 감지 시간을 전력 제약 및 간섭 제약 하에 공동 최적화함으로써, 2차 사용자들의 합성 비트 전송률을 극대화하면서도 공정성과 채널 불확실성에 대한 강건성을 확보하여 기존 모델 대비 뚜렷한 성능 향상을 달성한다.

ABSTRACT

This paper proposes prediction-and-sensing based spectrum sharing, a new spectrum-sharing model for cognitive radio networks, with a time structure for each resource block divided into a spectrum prediction-and-sensing phase and a data transmission phase. Cooperative spectrum prediction is incorporated as a sub-phase of spectrum sensing in the first phase. We investigate a joint design of transmit beamforming at the secondary base station (BS) and sensing time. The primary design goal is to maximize the sum rate of all secondary users (SUs) subject to the minimum rate requirement for all SUs, the transmit power constraint at the secondary BS, and the interference power constraints at all primary users. The original problem is difficult to solve since it is highly nonconvex. We first convert the problem into a more tractable form, then arrive at a convex program based on an inner approximation framework, and finally propose a new algorithm to successively solve this convex program. We prove that the proposed algorithm iteratively improves the objective while guaranteeing convergence at least to local optima. Simulation results demonstrate that the proposed algorithm reaches a stationary point after only a few iterations with a substantial performance improvement over existing approaches.

연구 동기 및 목표

• 정적 스펙트럼 할당의 비효율성을 해결하기 위해 인지 무선 네트워크에서 동적이고 기회적인 스펙트럼 접근을 가능하게 한다.
• fading 및 경로 손실로 인한 전통적 스펙트럼 감지의 불안정성과 신뢰성 부족 문제를 해결하기 위해 스펙트럼 예측을 감지 과정에 통합한다.
• 최소 비트 전송률 제약, 전송 전력 제한 및 주요 사용자에 대한 간섭 보호 조건 하에서 2차 사용자들의 합성 비트 전송률을 극대화한다.
• 2차 사용자 및 주요 사용자 링크의 채널 추정 오차를 고려한 강건한 beamforming 및 감지 시간 전략을 설계한다.
• 합성 beamforming 및 감지 시간 설계에 기인한 극도로 비볼록적인 최적화 문제를 해결하기 위한 저복잡도이자 수렴 가능한 알고리즘을 개발한다.

제안 방법

• 자원 블록 당 두 단계 시간 구조를 도입: 스펙트럼 예측 및 감지 단계와 데이터 전송 단계.
• 2차 사용자 간 및 2차 기지국(BS) 간의 협업 스펙트럼 예측을 통합하여 감지 정확도를 향상시키고 오류 감지를 감소시킨다.
• 내부 근사 프레임워크를 사용하여 원래의 비볼록 합성 비트 전송률 극대화 문제를 해석 가능한 형태로 재구성한다.
• 문제의 볼록 근사 문제를 반복적으로 해결하는 반복적 알고리즘을 제안하며, 최소 국소 최적해로 수렴함을 보장한다.
• 채널 상태 정보 불확실성 하에서 강건한 beamforming 설계를 적용하며, 2차 사용자(SU) 및 주요 사용자( PU) 채널의 추정 오차를 정규화된 불확실성 수준으로 모델링한다.
• 불완전한 CSI 하에서 beamforming 설계를 다루기 위해 랭크-1 복구 기법을 적용한 정수형 프로그래밍(SDP) 리 릴랙스션 방법을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인지 무선 네트워크에서 스펙트럼 예측을 스펙트럼 감지 과정에 효과적으로 통합하여 감지 신뢰도를 향상시키고 오진경보를 줄일 수 있는가?
• RQ2 2차 사용자들의 합성 비트 전송률을 극대화하면서도 공정성 및 간섭 제약 조건을 만족하는 최적의 동시 beamforming 및 감지 시간 설계는 무엇인가?
• RQ3 2차 사용자 및 주요 사용자 링크의 채널 추정 오차는 스펙트럼 언더레이 CR 시스템에서 달성 가능한 합성 비트 전송률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 극도로 비볼록적인 스펙트럼 공유 최적화 문제에서 저복잡도 반복적 알고리즘이 신속한 수렴과 근사 최적 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ5 제안된 PSBSS 모델은 기존의 스펙트럼 언더레이, 기회적 접근 및 제로포지션 beamforming 기법 대비 합성 비트 전송률 성능에서 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 12개의 전송 안테나를 사용할 경우, 제안된 PSBSS 알고리즘이 기회적 스펙트럼 접근 대비 4.68 bps/Hz의 합성 비트 전송률 향상을 달성한다.
• 12개의 전송 안테나를 사용할 경우, PSBSS 모델은 제로포지션 beamforming(ZFBF)를 적용한 스펙트럼 언더레이 대비 1.64 bps/Hz의 성능 향상을 기록하며, 9개 미만의 안테나에서는 ZFBF가 비가능한 것으로 나타났다.
• 합성 비트 전송률은 주로 2차 사용자(SU) 채널 상태 정보(CSI)의 추정 오차에 더 민감하며, 특히 높은 불확실성 수준에서 두드러진다.
• 높은 간섭이 주요 시스템으로부터 유입되더라도, 기회적 접근 모델은 낮은 전송 확률 덕분에 안정적인 합성 비트 전송률 유지를 유지하지만, PSBSS는 모든 벤치마크를 일관되게 능가한다.
• 제안된 알고리즘은 매우 신속하게 수렴하여 몇 번의 반복만으로도 정적 점에 도달하며, 다양한 수준의 채널 불확실성에서 강건한 성능을 보여준다.
• 특히 현실적인 채널 불확실성과 공정성 제약 조건 하에서, PSBSS의 합성 비트 전송률 성능은 기존 모델보다 뚜렷하게 뛰어나다.