[논문 리뷰] Interference Mitigation and Resource Allocation in Underlay Cognitive Radio Networks

Shailesh Chaudhari|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 01.

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing참고 문헌 91인용 수 3

한 줄 요약

이 학위논문은 주파수 겹침 간섭을 고려한 주파수 공유 인프라에서의 간섭 완화 및 자원 할당 기법을 제안한다. 주요 기여는 시간 변화하는 채널 조건과 주파수 사용자(PU) 활동 패tern 하에서 간섭 제약을 만족하면서 부가 사용자(SU)의 전송률을 최대화하는 증명 가능한 최적의 전력 제어 정책을 도출한 것이다. 이 정책은 주파수 공유 인프라에서 주파수 사용자(PU)의 위치 추정을 위해 순환정적 신호 성질을 활용하고, 대량 다중안테나(Massive MIMO) 시스템에서 저복잡도 전력 할당을 수행하며, 전력 제어와 함께 동적 주파수 대역 선택을 수행한다.

ABSTRACT

Due to ever increasing usage of wireless devices and data hungry applications, it has become necessary to improve the spectral efficiency of existing wireless networks. One way of improving spectral efficiency is to share the spectrum amongst different coexisting networks and serve multiple devices simultaneously. Spectrum sharing mechanisms for coexistence of a licensed network, such as LTE, with an unlicensed network, such as Wi-Fi, are being considered in the recent literature and standardizations. In order to enable the coexistence between licensed and unlicensed users, it is necessary to include interference mitigation techniques to protect the licensed primary users (PUs) from harmful interference. Typical interference mitigation mechanisms are based on spectrum sensing and cognitive radio (CR), wherein unlicensed secondary users (SUs) observe the spectrum and utilize it when licensed PUs are inactive. Thus, the SUs utilize empty time-slots in the shared spectrum to avoid the interference. The spectral efficiency can be further improved if the SUs are allowed to transmit concurrently with PUs by exploiting the spatial dimension provided by multiple antenna techniques. The underlay CR paradigm allows such coexistence where SUs transmit its signal in the same time-slots as PUs by exploiting the spatial and frequency resources in the network. In order to exploit the spatial dimension, SUs can utilize the location coordinates of PUs to steer its signal away from PUs to mitigate the interference. The SU transmitter can also employ multiple antenna techniques to serve a large number of devices. Further, the SUs can utilize frequency bands occupied by PUs by dynamically selecting the frequency band that provides the highest rate. In this work, we develop techniques for PU location estimation, spatial resource allocation and frequency band selection for SUs in underlay CR networks.

연구 동기 및 목표

• 스펙트럼 겹침 간섭이 존재하는 환경에서 정확한 주파수 사용자(PU) 위치 추정 문제를 해결하기 위해.
• 엄격한 간섭 제약 조건 하에서 대량 다중안테나(Massive MIMO) 주파수 공유 인프라에서 사용자 선택 및 전력 할당 알고리즘을 설계하기 위해.
• 부가 사용자(SU)의 스펙트럼 효율성을 최대화하면서도 간섭을 사전 정의된 임계값 이하로 유지하는 전력 제어 및 주파수 대역 선택 정책을 개발하기 위해.
• PU 트래픽 통계 및 채널 시간상 상관관계가 주파수 공유 인프라 시스템에서 최적의 전송 전략에 미치는 영향을 분석하기 위해.

제안 방법

• 순환정적 특성을 활용한 위치 추정 알고리즘을 제안하여 순환가중상관(Cyclic WCL)을 사용해 간섭을 탐지하고 억제함으로써 주파수 사용자(PU) 위치 추정 정확도를 향상시킨다.
• 신호의 순환정적 특성과 공간 다양성을 활용하여 간섭에 대한 강건성을 향상시킨 개선된 Cyclic WCL 방법을 도입한다.
• 대량 다중안테나(Massive MIMO) 부가 기지국에서 사용자 선택 및 전력 할당을 위한 저복잡도 알고리즘을 개발하여, 안테나 수가 사용자 수보다 훨씬 클 경우 최적 성능을 달성한다.
• 간섭 제약 조건, PU 활동 통계, 채널 상관관계를 고려한 전송 전력의 닫힌 형태 식을 유도하여 동적 주파수 대역 선택을 가능하게 한다.
• PU 상태 전이를 마르코프 체인 모델링을 통해 PU 활동의 시간적 동역학을 기술하고, 이로 인한 부가 전송에 미치는 영향을 분석한다.
• 채널 상관관계와 PU 상태 확률을 활용함으로써 동적 전력 제어 정책이 고정 전력 정책보다도 달성 가능한 전송률에서 우월함을 증명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주파수 공유 인프라에서 스펙트럼 겹침 간섭자가 존재하는 환경에서 주파수 사용자(PU)의 정확한 위치 추정은 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ2 간섭 제약 조건이 존재하는 대량 다중안테나(Massive MIMO) 주파수 공유 인프라에서 최적의 사용자 선택 및 전력 할당 전략은 무엇인가?
• RQ3 PU 간섭 제약 조건 하에서 주파수 대역 간 동적 전력 제어가 고정 전력 제어보다 달성 가능한 전송률 측면에서 우월한가?
• RQ4 PU 트래픽 통계 및 채널 시간상 상관관계는 부가 사용자(SU)의 최적 전력 및 주파수 대역 선택 정책에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 실제 구현 조건 하에서 대량 다중안테나(Massive MIMO) 주파수 공유 인프라에서 저복잡도 알고리즘이 최적 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 개선된 Cyclic WCL 알고리즘은 간섭자 영향을 받는 부가 사용자를 식별하고 제거함으로써 고간섭 조건 하에서도 위치 추정 정확도를 크게 향상시킨다.
• 제안된 저복잡도 전력 할당 알고리즘은 부가 기지국의 안테나 수가 활성 사용자 수보다 약 수십 배 이상 클 경우 최적 해를 달성한다.
• 동적 전력 제어는 고정 전력 제어보다 달성 가능한 전송률 측면에서 뛰어나며, 젠슨 부등식(Jensen’s inequality)과 상관 분석을 통해 유도된 증명 가능한 이득이 있다.
• 부가 사용자의 최적 전략은 단일 주파수 대역에서 유지하는 것이며, 이는 간섭 제약 조건을 만족하면서도 데이터 전송률을 최대화하기 때문이다.
• 유도된 전력 제어 정책은 PU 활동 패턴과 채널 상관관계를 고려하여 다양한 네트워크 조건에서 안정적이고 고속도의 전송을 가능하게 한다.
• 이론적 분석을 통해 동적 전력 정책이 고정 정책보다 더 높은 기대 스펙트럼 효율성을 달성하며, 특히 PU 활동의 변동성이 클수록 이득이 증가함을 확인하였다.