[논문 리뷰] Exploiting New Forms of Multiuser Diversity for Spectrum Sharing in Cognitive Radio Networks

Rui Zhang, Ying‐Chang Liang|arXiv (Cornell University)|2008. 09. 12.

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing참고 문헌 13인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 인지 무선 네트워크에서 다중 사용자 간섭 다양성(MID)을 도입하며, 보조 사용자가 주 사용자 간섭 제약 조건 하에서 전송 및 수신 채널 변동성을 활용하여 스펙트럼 공유를 향상시킨다. 이를 통해 MID가 MAC, BC, PAC 채널에서 기존의 다중 사용자 다양성보다 상당한 추가 스펙트럼 이득을 제공하는 것으로 밝혀졌다.

ABSTRACT

Abstract — Multiuser diversity, as a fundamental property for fading wireless networks, has been widely applied in today’s wireless communication systems. Conventionally, due to the multiuser diversity, the long-term throughput of a wireless system consisting of multiple independently fading communication links can be enhanced by selecting one link with the best instantaneous channel quality to transmit at one time. In this paper, we consider the emerging cognitive radio (CR) wireless network that communicates by sharing the spectrum with an existing primary radio (PR) network. Under the assumption that the CR transmit terminal protects the PR link by applying the interference-power constraint at the PR receiver, we demonstrate several new forms of multiuser diversity in the CR network, named as multiuser interference diversity (MID), which are not present in the traditional wireless systems. Three CR multiuser channel models are considered, including the multiple-access channel (MAC), broadcast channel (BC), and parallel access channel (PAC), for which we characterize the transmit MID (T-MID), the receive MID (R-MID), and the combined T-MID and R-MID, respectively. It is shown that the new discovered MID can achieve substantial performance gains for the CR network in addition to the conventional multiuser diversity. I.

연구 동기 및 목표

• 기존의 전통적인 무선 시스템에서는 존재하지 않는, 인지 무선 네트워크에서 새로운 형태의 다중 사용자 다양성—특히 다중 사용자 간섭 다양성(MID)—을 규명하는 것.
• MAC, BC, PAC 채널과 같은 세 가지 핵심 CR 채널 모델에서 MID가 어떻게 활용될 수 있는지 분석하는 것.
• 간섭 전력 제약 조건 하에서 MID가 기존의 다중 사용자 다양성에 비해 장기적 대역폭 활용도 측면에서 성능 향상을 얼마나 측정할 수 있는지 정량화하는 것.
• 인지 무선 네트워크에서 전송 MID(T-MID), 수신 MID(R-MID), 그리고 병합된 T-MID/R-MID의 이론적 기초를 확립하는 것.

제안 방법

• 주 사용자 수신기에서 간섭 전력 제약 조건을 충족시키는 조건 하에 보조 사용자가 주 무선 네트워크와 스펙트럼을 공유하는 인지 무선 모델을 제안한다.
• MAC, BC, PAC 채널의 세 가지 다중 사용자 CR 채널 모델을 분석하며, 각각 전송 MID(T-MID), 수신 MID(R-MID), 병합된 T-MID/R-MID의 고유한 형태를 제공한다.
• 보조 사용자의 자체 채널 품질과 주 사용자 수신기의 간섭 영향을 기반으로 사용자를 선택하여 장기적 대역폭 이득을 도출한다.
• 보조 송신기에서의 순간 채널 상태 정보를 활용하여 주 사용자 보호 조건 하에서 스펙트럼 효율을 극대화하는 공동 최적화 프레임워크를 도입한다.
• 스토케스틱 기하학과 fading 채널 모델링을 사용하여 다수의 보조 사용자 간의 간섭 변동성에서 비롯된 다양성 이득을 특성화한다.
• 기존의 다중 사용자 다양성과 새로 규명된 MID 이득을 조합함으로써 달성 가능한 총 수신 속도의 이론적 한계를 수립한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인지 무선 네트워크에서 간섭 동역학을 활용하기 위해 기존의 사용자 선택을 초월하여 다중 사용자 다양성을 어떻게 확장할 수 있는가?
• RQ2 보조 사용자 채널과 주 사용자 간섭 제약 조건 간의 상호작용으로 인해 인지 무선 네트워크에서 어떤 새로운 형태의 다중 사용자 다양성이 나타나는가?
• RQ3 전송 측 간섭 변동성(T-MID)이 다중 접근 인지 무선 채널에서 스펙트럼 효율을 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 수신 측 간섭 변동성(R-MID)이 브로드캐스트 인지 무선 네트워크 성능 향상에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 병합된 전송 및 수신 간섭 다양성(T-MID/R-MID)이 병렬 접근 인지 무선 채널에서 곱셈적 이득을 낼 수 있는가?

주요 결과

• 다중 사용자 간섭 다양성(MID)은 다양한 보조 사용자가 유도하는 간섭 수준의 변동성으로 인해 발생하는 인지 무선 네트워크에서의 새로운 형태의 다양성으로 규명되었다.
• MAC 채널에서 T-MID는 주 사용자 수신기에 가장 적은 간섭을 유도하면서도 우수한 채널 품질을 가진 보조 사용자를 선택함으로써 상당한 스펙트럼 효율 향상을 제공한다.
• BC 채널에서 R-MID는 다양한 보조 사용자 간 주 사용자 수신기의 간섭 수준 변화를 활용하여 성능 향상을 이룬다.
• PAC 채널에서는 T-MID와 R-MID의 병합이 곱셈적 다양성 이득을 달성하여 기존의 다중 사용자 다양성만으로는 달성할 수 없는 성능을 넘어서며, 뛰어난 성능을 발휘한다.
• 제안된 MID 기반 사용자 선택 전략은 엄격한 간섭 제약 조건 하에서도 전통적인 다중 사용자 다양성에 비해 상당한 추가 대역폭 이득을 제공한다.
• 이론적 분석을 통해 MID는 전송 전력이나 대역폭을 증가시키지 않더라도 높은 스펙트럼 효율을 달성할 수 있는 근본적이고 활용 가능한 자원임을 확인하였다.