[논문 리뷰] Full Duplex Wireless Communications for Cognitive Radio Networks

Wenchi Cheng, Xi Zhang외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 04. 30.

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing참고 문헌 19인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 안테나 캔슬레이션(AC), RF 간섭 캔슬레이션(RIC), 디지털 간섭 캔슬레이션(DIC)을 사용하여 전이자성 인식을 가능하게 하는 전이자성 인식 무선 네트워크(CRN) 기법을 제안한다. 이는 2차 사용자(SU)가 전송 중일 때도 주 사용자(PU)를 감지할 수 있도록 한다. 반복적 전송 방식의 CRN에 비해, 특히 고신호대간섭비(SNR) 조건에서, 완전 전이자성 조건이 불완전하더라도 PU 패킷 손실률이 크게 감소한다.

ABSTRACT

As a key in cognitive radio networks (CRNs), dynamic spectrum access needs to be carefully designed to minimize the interference and delay to the \emph{primary} (licensed) users. One of the main challenges in dynamic spectrum access is to determine when the \emph{secondary} (unlicensed) users can use the spectrum. In particular, when the secondary user is using the spectrum, if the primary user becomes active to use the spectrum, it is usually hard for the secondary user to detect the primary user instantaneously, thus causing unexpected interference and delay to primary users. The secondary user cannot detect the presence of primary users instantaneously because the secondary user is unable to detect the spectrum at the same time while it is transmitting. To solve this problem, we propose the full duplex wireless communications scheme for CRNs. In particular, we employ the Antennas Cancellation (AC), the RF Interference Cancellation (RIC), and the Digital Interference Cancellation (DIC) techniques for secondary users so that the secondary user can scan for active primary users while it is transmitting. Once detecting the presence of primary users, the secondary user will release the spectrum instantaneously to avoid the interference and delay to primary users. We analyze the packet loss rate of primary users in wireless full duplex CRNs, and compare them with the packet loss rate of primary users in wireless half duplex CRNs. Our analyses and simulations show that using our developped wireless full duplex CRNs, the packet loss rate of primary users can be significantly decreased as compared with that of primary users by using the half duplex CRNs.

연구 동기 및 목표

• 2차 사용자가 전송 중일 때 스펙트럼을 감지할 수 없어 지연이 발생하는 반복적 전송 방식의 인식 무선 네트워크에서의 주요 문제를 해결하기 위해.
• 전이자성 작동을 통해 전송 중 실시간 스펙트럼 감지를 가능하게 하여 주 사용자에 대한 간섭과 지연을 줄이기 위해.
• 실제 불완전성 조건인 안테나 위치 오차, 진폭 불일치, 대역폭 영향 등을 고려하여 전이자성 CRN의 성능을 평가하기 위해.
• 다양한 SNR 및 트래픽 부하 조건에서 전이자성 CRN과 반복적 전송 방식의 PU 패킷 손실률을 비교하기 위해.

제안 방법

• 제안된 기법은 국부적 송신기에서 발생하는 강력한 자기간섭 신호를 억제하기 위해 안테나 캔슬레이션(AC), RF 간섭 캔슬레이션(RIC), 디지털 간섭 캔슬레이션(DIC)을 통합한다.
• 수신 신호 전력 기반으로 PU 존재 여부를 판단하기 위해 결정 임계값 $\widetilde{\beta}$ 를 사용하며, 이때 유실 탐지 확률 $\widetilde{p}_{MD}$ 는 비중앙 카이제곱 분포로부터 유도된다.
• PU의 패킷 손실률은 $\rho_{PU} = \widetilde{p}_{MD}$ 로 모델링되며, 이때 $\widetilde{p}_{MD} = \widetilde{F}_{\widetilde{Y}|\mathcal{H}_1}(\widetilde{\beta})$ 로 표현되며, 불완전한 전이자성 조건를 고려한다.
• 통계적 fading 모델을 사용하며, 비중앙 카이제곱 분포를 갖는 에너지 전력에 기반하고, 정확한 확률 계산을 위해 상부 비완전 감마 함수를 활용한다.
• 시뮬레이션은 $N=100$ 패킷, $L_p=1$KB, $\lambda_p=2$ s⁻¹, $\lambda_s=5$ s⁻¹, $m=5$, 그리고 다양한 SNR 및 지연 한계 조건에서 성능을 평가한다.
• 불완전한 전이자성 영향은 송신 전력 불일치($\epsilon^{A}_{ant}$), 수신 안테나 위치 오차($\epsilon^{d}_{ant}$), 대역폭(20MHz, 85MHz)을 2.48GHz에서 모델링한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인지 무선 네트워크에서 전이자성 작동이 반복적 전송 방식에 비해 주 사용자 패킷 손실률을 감소시키는가?
• RQ2 실제 손상 요소인 안테나 위치 오차, 진폭 불일치, 대역폭 등이 전이자성 CRN의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 완전한 및 불완전한 전이자성 CRN에서 평균 SNR와 PU 패킷 손실률 간의 관계는 어떠한가?
• RQ4 불완전한 전이자성 CRN의 성능이 반복적 전송 방식을 능가하기 시작하는 SNR 수준은 어느 정도인가?
• RQ5 트래픽 부하와 지연 제약 조건은 전이자성 CRN에서 주 사용자 패킷 손실률에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 완전한 전이자성 CRN에서 주 사용자 패킷 손실률은 평균 SNR가 증가함에 따라 0으로 수렴하며, 반복적 전송 방식보다 뚜렷하게 뛰어난 성능을 보인다.
• 불완전한 전이자성 조건에서도 평균 SNR가 높을 경우, 반복적 전송 방식보다 PU 패킷 손실률이 낮다.
• 불완전한 전이자성 영향(예: 1mm 및 2mm 수신 안테나 위치 오차, 0.1Aₐₙₜ 및 0.2Aₐₙₜ 진폭 불일치)은 PU 패킷 손실률을 약간 증가시키지만, 영향은 미미하다.
• 더 넓은 대역폭(85MHz 대비 20MHz)은 PU 패킷 손실률에 거의 영향을 주지 않으며, 대역폭 변화에 대해 강건함을 보인다.
• 트래픽 부하가 증가할 경우($\lambda_p = \lambda_s = 5$ s⁻¹), 특히 엄격한 지연 한계($D = NL_p/(4R)$) 조건에서 PU 패킷 손실률이 상승하여 시스템 포화가 발생함을 시사한다.
• 제안된 전이자성 기법은 SU 전송 중 활성 PU의 유실 탐지를 줄여 즉각적인 스펙트럼 해제를 가능하게 하며 간섭을 최소화한다.