[논문 리뷰] MIMO Precoding in Underlay Cognitive Radio Systems with Completely Unknown Primary CSI

Amitav Mukherjee, Minyan Pei외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 04. 05.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 29인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 완전히 알려지지 않은 주파수 채널 상태 정보(CSI)를 가진 MIMO 인지 무선 시스템을 위한 랭크 최소화 조절 전략을 제안하며, 전송 전력과 랭크를 최소화하면서도 목표 CR 속도를 보장하는 새로운 '절약형 워터필링'(FWF) 알고리즘을 도입한다. FWF는 간섭 온도가 더 높음에도 불구하고 전통적 워터필링 및 히우리스틱 방법보다 높은 주파수 수신기(PR) 처리량을 달성하며, 간섭 온도가 간섭 영향을 평가하는 데 부적절한 지표임을 입증하고, 간섭 누설률이 PR 성능 영향을 더 잘 반영하는 지표임을 시사한다.

ABSTRACT

This paper studies a novel underlay MIMO cognitive radio (CR) system, where the instantaneous or statistical channel state information (CSI) of the interfering channels to the primary receivers (PRs) is completely unknown to the CR. For the single underlay receiver scenario, we assume a minimum information rate must be guaranteed on the CR main channel whose CSI is known at the CR transmitter. We first show that low-rank CR interference is preferable for improving the throughput of the PRs compared with spreading less power over more transmit dimensions. Based on this observation, we then propose a rank minimization CR transmission strategy assuming a minimum information rate must be guaranteed on the CR main channel. We propose a simple solution referred to as frugal waterfilling (FWF) that uses the least amount of power required to achieve the rate constraint with a minimum-rank transmit covariance matrix. We also present two heuristic approaches that have been used in prior work to transform rank minimization problems into convex optimization problems. The proposed schemes are then generalized to an underlay MIMO CR downlink network with multiple receivers. Finally, a theoretical analysis of the interference temperature and leakage rate outage probabilities at the PR is presented for Rayleigh fading channels.We demonstrate that the direct FWF solution leads to higher PR throughput even though it has higher interference "temperature (IT) compared with the heuristic methods and classic waterfilling, which calls into question the use of IT as a metric for CR interference.

연구 동기 및 목표

• 인지 무선 송신기가 주파수 사용자의 채널 상태 정보(CSI), 즉 즉각적이고 통계적 지식을 모두 확보하지 못한 상황에서 효율적인 MIMO 인지 무선 시스템 설계의 과제를 해결한다.
• 주파수 CSI가 부족함에도 불구하고 인지 무선의 주요 통신 링크에 최소 품질보증(속도) 요구사항을 충족시킨다.
• 이러한 제약 조건 하에서 주파수 사용자에 대한 간섭을 최소화하면서 주파수 시스템의 처리량을 최대화하는 전송 전략을 개발한다.
• 실제 주파수 성능과의 괴리가 있는 만큼, 간섭 온도(IT)가 인지 무선 간섭 영향을 평가하는 데 유의미한 지표인지 재검토한다.
• 간섭 누설률이라는 대안 지표를 제안하고 검증하며, 이 지표가 주파수 사용자에 대한 실제 간섭 영향을 더 잘 반영한다.

제안 방법

• 공간 자유도를 줄이고 간섭을 집중시켜 주파수 사용자 처리량을 향상시키기 위해 인지 무선 송신 공분산 행렬에 대한 랭크 최소화 프레임워크를 제안한다.
• 필요한 인지 속도를 최소 전력과 최소 랭크 공분산 행렬로 달성하는 단순한 폐형 해를 갖는 '절약형 워터필링'(FWF) 알고리즘을 도입한다.
• 비볼록 랭크 최소화 문제를 근사하기 위해 핵노름과 로그행렬행렬 히우리스틱이라는 두 가지 볼록 근사 기법을 적용한다.
• 수정된 블록 대각화(BD) 방식을 사용해 FWF 및 히우리스틱 전략을 다중 사용자 MIMO 동시 하향링크 환경으로 일반화한다.
• 레일리 fading 채널 조건에서 랜덤 행렬 이론을 활용해 간섭 온도 및 누설률 아웃오지 확률에 대한 이론적 표현을 유도한다.
• 다양한 알고리즘 간의 간섭 온도 및 누설률 통계적 행동을 비교하기 위해 경험적 보완 누적분포함수(ccdf)를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주파수 링크의 CSI가 전혀 제공되지 않는 상황에서 인지 무선 시스템이 높은 스펙트럼 효율성을 달성하고 주파수 사용자에 대한 간섭을 최소화할 수 있는가?
• RQ2 인지 무선의 송신 공분산 행렬의 랭크를 최소화하는 것이 더 많은 공간 차원에 전력 분산을 하는 것보다 주파수 사용자 성능을 향상시키는가?
• RQ3 제안된 절약형 워터필링(FWF) 알고리즘의 성능은 기존 워터필링 및 히우리스틱 랭크 근사 방법에 비해 주파수 사용자 처리량 및 아웃오지 확률 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ4 일반적으로 사용되는 간섭 온도(IT) 지표는 실제 주파수 사용자에 대한 간섭 영향을 신뢰할 만한 지표인가, 아니면 오해의 소지가 있는가?
• RQ5 간섭 누설률은 간섭 온도보다 더 정확하고 의미 있는 인지 무선 간섭 영향 평가 지표가 될 수 있는가?

주요 결과

• 절약형 워터필링(FWF) 알고리즘은 간섭 온도가 가장 높음에도 불구하고 모든 시험 방법 중에서 가장 높은 주파수 사용자(PR) 처리량을 달성한다.
• FWF는 평균 PR 속도 및 PR 속도 아웃오지 확률 측면에서 기존 워터필링(CWF) 및 로그행렬 히우리스틱 방법보다 일관되게 뛰어난 성능을 보인다.
• 간섭 온도(IT) 지표가 오해의 소지가 있음을 입증하였으며, 높은 IT가 반드시 악화된 PR 성능을 의미하지는 않음을 확인하였다. FWF는 가장 높은 IT를 기록했지만 가장 우수한 PR 성능를 기록하였다.
• 제안된 간섭 누설률 지표는 실제 PR 성능과 강하게 상관되며, IT보다 간섭 무선 간섭 영향을 더 정확하게 반영하는 지표임을 입증하였다.
• 이론적 분석과 시뮬레이션을 통해 랭크 최소화가 레일리 fading 조건 하에서도 다중 공간 차원에 전력 분산을 하는 것보다 더 나은 PR 성능을 이끌어낸다는 점을 확인하였다.
• 세 명의 인지 사용자가 포함된 다중 사용자 MIMO 동시 하향링크 환경에서, FWF는 다양한 전송 전력 및 목표 속도 설정 조건에서도 뛰어난 PR 속도 성능 유지를 유지하였다.