[논문 리뷰] Distributed Uplink Resource Allocation in Cognitive Radio Networks -- Part I: Equilibria and Algorithms for Power Allocation

Mingyi Hong, Alfredo García외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 02. 09.

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing참고 문헌 26인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 단일 액세스 포인트를 갖는 업링크 콘텐트 라디오 네트워크에서 분산 전력 할당 게임을 제안하며, 인지 사용자가 비협력적 전력 제어를 통해 자신의 데이터율을 최대화한다. 이는 공동 디코딩 하에서 모든 내쉬 균형이 합산 비트율 최적성을 달성하고, 채널 수가 증가함에 따라 수렴적으로 FDMA에 가까워지며 최대 합산 비트율을 달성함을 증명한다.

ABSTRACT

Spectrum management has been identified as a crucial step towards enabling the technology of a cognitive radio network (CRN). Most of the current works dealing with spectrum management in the CRN focus on a single task of the problem, e.g., spectrum sensing, spectrum decision, spectrum sharing or spectrum mobility. In this two-part paper, we argue that for certain network configurations, jointly performing several tasks of the spectrum management improves the spectrum efficiency. Specifically, our aim is to study the uplink resource management problem in a CRN where there exist multiple cognitive users (CUs) and access points (APs). The CUs, in order to maximize their uplink transmission rates, have to associate to a suitable AP (spectrum decision), and to share the channels used by this AP with other CUs (spectrum sharing). These tasks are clearly interdependent, and the problem of how they should be carried out efficiently and in a distributed manner is still open in the literature.

연구 동기 및 목표

• 다중 액세스 포인트를 갖는 다중 채널 인지 라디오 네트워크에서 스펙트럼 결정과 스펙트럼 공유 문제를 해결하기 위해.
• 단일 액세스 포인트 환경에서 업링크 전력 할당 문제를 인지 사용자 간의 비협력 게임으로 모델링하기 위해.
• 게임의 균형 성질을 분석하고 내쉬 균형의 합산 비트율 기준 최적성 확립하기 위해.
• 중앙 집중식 조율 없이 이러한 균형에 수렴하는 분산 알고리즘 설계하기 위해.
• 균형 상태가 채널 수가 증가함에 따라 수렴적으로 FDMA와 동일하며 최대 시스템 합산 비트율을 달성함을 보여주기 위해.

제안 방법

• 각 인지 사용자가 자신의 비트율을 최대화하기 위해 전력 벡터를 선택하는 비협력 게임으로 업링크 전력 할당 문제를 수립한다.
• 달성 가능한 비트율 기반의 볼록 utility 함수를 사용하여 게임의 보상 함수를 정의함으로써 내쉬 균형의 존재를 보장한다.
• 감소하는 스텝 사이즈를 갖는 사영 기반 경사 하강 알고리즘을 적용하여 분산 수렴을 가능하게 한다.
• Quasi-Fejér 수렴 프레임워크를 활용하여 전력 벡터의 수열이 내쉬 균형 집합으로 수렴함을 증명한다.
• 사영 정리와 볼록 함수의 성질을 활용하여 수렴성과 한계점의 최적성 확립한다.
• 채널 수가 증가함에 따른 균형의 점점 수렴 행동을 분석하여 FDMA 전략으로 수렴함을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 액세스 포인트 인지 라디오 네트워크에서 제안된 분산 전력 할당 게임의 내쉬 균형은 어떤 최적성 성질을 갖는가?
• RQ2 중앙 집중식 조율 없이 분산 알고리즘이 이러한 균형에 수렴할 수 있는가?
• RQ3 합산 비트율과 다중접근 전략 측면에서 가용 채널 수가 증가함에 따라 시스템 성능은 어떻게 스케일링되는가?
• RQ4 어떤 조건에서 비균형 전략이 점점 수렴적으로 주파수 분할 다중접근(FDMA)에 가까워지는가?
• RQ5 공동 디코딩이 사용될 경우 균형 해가 전체 네트워크의 합산 비트율을 최대화하는 데 최적인가?

주요 결과

• 제안된 전력 할당 게임의 모든 내쉬 균형은 액세스 포인트에서 공동 디코딩을 사용할 경우 합산 비트율을 최대화하는 데 최적이다.
• 채널 수가 증가함에 따라 어떤 내쉬 균형이라도 점점 수렴적으로 FDMA 전략에 가까워지며, 공동 디코딩 없이도 최대 가능한 합산 비트율을 달성한다.
• 제안된 분산 사영 기반 경사 하강 알고리즘은 온건한 조건 하에서 내쉬 균형으로 수렴하며, Quasi-Fejér 분석을 통해 수렴 보장을 받는다.
• 알고리즘에 의해 생성된 전력 할당 수열은 내쉬 균형 집합으로 Quasi-Fejér 수렴하며, 안정된 해로 수렴함을 보장한다.
• 연속된 전력 벡터 간의 제곱 차이의 합이 수렴 가능하며, 이는 점차 줄어드는 조정과 안정적인 수렴을 나타낸다.
• 알고리즘의 한계점이 내쉬 균형임을 입증하였으며, 비트율 함수의 볼록성 덕분에 이러한 균형은 합산 비트율 최적화에 대해 전역적으로 최적이다.