[논문 리뷰] Ergodic Capacity of Cognitive Radio under Imperfect Channel State Information

Zouheir Rezk, Mohamed‐Slim Alouini|arXiv (Cornell University)|2012. 04. 10.

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing참고 문헌 26인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 2차원 송신기가 주요 수신기로 향하는 간섭 링크의 통계적 및 추정된 채널 상태 정보(CSI)만을 알고 있는 인지 무선 시스템에서, 불완전한 채널 상태 정보 하에서 최적의 전력 할당 및 에르고딕 용량을 유도한다. 간섭 아웃리지 제약 조건 하에서 고전력 영역에서는 용량 증가가 제한되며, 저전력 영역에서는 거의 이상적인 성능을 달성함을 보여준다.

ABSTRACT

A spectrum-sharing communication system where the secondary user is aware of the instantaneous channel state information (CSI) of the secondary link, but knows only the statistics and an estimated version of the secondary transmitter-primary receiver (ST-PR) link, is investigated. The optimum power profile and the ergodic capacity of the secondary link are derived for general fading channels (with continuous probability density function) under average and peak transmit-power constraints and with respect to two different interference constraints: an interference outage constraint and a signal-to-interference outage constraint. When applied to Rayleigh fading channels, our results show, for instance, that the interference constraint is harmful at high-power regime in the sense that the capacity does not increase with the power, whereas at low-power regime, it has a marginal impact and no-interference performance corresponding to the ergodic capacity under average or peak transmit power constraint in absence of the primary user, may be achieved.

연구 동기 및 목표

• 2차원 사용자(secondary user)의 스펙트럼 공유 인지 무선 시스템에서 2차원 송신기의 채널 지식이 제한된 조건에서 에르고딕 용량을 분석하는 것.
• 평균 또는 피크 전송 전력 제약 조건과 함께 간섭 아웃리지 또는 신호 대 간섭 아웃리지 제약 조건을 통합한 최적의 전력 프로파일을 유도하는 것.
• 2차원 송신기에서 주요 수신기로 향하는 채널(ST-PR 채널)에 대한 불완전한 지식이 시스템 성능에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 실제 CSI 조건 하에서 성능 한계를 이해하기 위해 고전력 및 저전력 영역에서의 점근적 분석을 제공하는 것.
• 다양한 간섭 제약 조건과 전력 제약 조건을 하나의 분석 프레임워크에 통합하여 기존 결과를 일반화하는 것.

제안 방법

• 평균 또는 피크 전송 전력 제약 조건과 간섭 아웃리지 제약 조건 하에서 에르고딕 용량 최대화를 위한 최적화 문제를 수립한다.
• 라그랑주 이중성과 보완성 조건을 활용해 유도된 간섭 제약 조건으로 제한된 워터필링 전력 할당 전략을 사용한다.
• 라그랑주 승수를 구하기 위해 이중 최적화 프레임워크를 도입하여, 다양한 채널 실현값에 따른 최적의 전력 프로파일 유도를 가능하게 한다.
• 레이일리 fading 채널에 이 방법을 적용하며, ST-PR 링크의 통계적 CSI와 추정된 채널 상태 정보를 활용한다.
• 세 가지 경우에 대해 최적의 전력 프로파일에 대한 닫힌 형태의 표현식을 유도한다: (1) 평균 전력만 존재할 경우, (2) 피크 전력만 존재할 경우, (3) 평균 전력과 간섭 제약 조건이 모두 존재할 경우.
• 고전력 및 저전력 행동을 분석하기 위해 점근적 분석을 활용하여, 불완전한 CSI 조건 하에서의 근본적인 성능 한계를 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ST-PR 채널에 대한 불완전한 지식이 인지 무선 시스템의 에르고딕 용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 평균 또는 피크 전송 전력 제약 조건과 간섭 아웃리지 제약 조건 하에서 최적의 전력 할당 정책은 무엇인가?
• RQ3 간섭 아웃리지 제약 조건과 신호 대 간섭 아웃리지 제약 조건은 시스템 용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 불완전한 CSI 조건 하에서 고전력 및 저전력 영역에서 성능 한계는 무엇인가?
• RQ5 불완전한 CSI 조건 하에서 에르고딕 용량은 1차 사용자 없는 시스템의 이상적 용량에 도달할 수 있는가?

주요 결과

• 레이일리 페이딩 조건 하에서 간섭 아웃리지 제약 조건은 고전력 전송에서 용량 증가를 제한하며, 높은 전력에도 불구하고 용량 증가가 더 이상 일어나지 않는다.
• 저전력 전송 영역에서는 간섭 제약 조건의 영향이 미미하며, 에르고딕 용량은 1차 사용자가 없는 시스템의 이상적 용량에 가까워진다.
• 평균 전력 Pavg = 0 dB일 경우, 에르고딕 용량은 0.71 npcu이며, 피크 전력 Ppeak = 0 dB일 경우 동일한 간섭 아웃리지 제약 조건(5 dB) 하에서 0.6 npcu이다.
• 고전력 영역에서는 평균 전력과 피크 전력 성능 간 격차가 줄어들며, 이는 간섭 아웃리지 제약 조건이 전력 프로파일을 지배하기 때문이다.
• 최적의 전력 프로파일은 간섭 제약 조건으로 제한된 워터필링 솔루션으로서, 라그랑주 승수와 채널 통계에 따라 명시적인 표현식을 갖는다.
• 점근적 분석 결과, 고전력 영역에서는 간섭 제약 조건이 지배적인 요소가 되며, 저전력 영역에서는 통계적 CSI의 품질이 성능을 결정한다.