[논문 리뷰] Multimedia Channel Allocation in Cognitive Radio Networks using FDM-FDMA and OFDM-FDMA

Ansuman Bhattacharya, Rabindranath Ghosh외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 12.

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing참고 문헌 16인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 FDM-FDMA 및 OFDM-FDMA를 사용하여 다수의 작은 비연속 스펙트럼 대역을 집계함으로써 다중미디어 통신을 가능하게 하는 새로운 비연속 채널 할당 기법을 제안한다. 기존의 최초 적합(first-fit) 및 최적 적합(best-fit) 알고리즘에 비해 뛰어난 성능을 보이며, 96%의 트래픽 부하 조건에서도 1초 이내에 채널 할당을 완료한다(OFDM-FDMA의 경우 4.5초). 이 조건에서 기존 방법들은 완전히 실패한다.

ABSTRACT

In conventional wireless systems, unless a contiguous frequency band with width at least equal to the required bandwidth is obtained, multimedia communication can not be effected with the desired Quality of Service. We propose here a novel channel allocation technique to overcome this limitation in a Cognitive Radio Network which is based on utilizing several non-contiguous channels, each of width smaller than the required bandwidth, but whose sum equals at least the required bandwidth. We present algorithms for channel sensing, channel reservation and channel deallocation along with transmission and reception protocols with two different implementations based on $FDM-FDMA$ and $OFDM-FDMA$ techniques. Simulation results for both these implementations show that the proposed technique outperforms the existing first-fit and best-fit~\cite{b109, b110} allocation techniques in terms of the average number of attempts needed for acquiring the necessary number of channels for all traffic situations ranging from light to extremely heavy traffic. Further, the proposed technique can allocate the required numbers of channels in less than one second with $FDM-FDMA$ ($4.5$ second with $OFDM-FDMA$) even for $96\%$ traffic load, while the first-fit and best-fit techniques fail to allocate any channel in such situations.

연구 동기 및 목표

• 다중미디어 QoS 요구사항을 충족시키기 위한 단일 연속 대역이 존재하지 않는 인지 무선 네트워크에서 스펙트럼 분할 문제를 해결하기 위해.
• 필요한 데이터 전송률을 충족시키는 총 대역폭을 갖춘 다수의 비연속 채널을 집계함으로써 신뢰성 있는 다중미디어 전송을 가능하게 하기 위해.
• 고부하 환경에서의 동적 스펙트럼 접근을 위한 효율적인 채널 감지, 예약 및 할당 해제 프로토콜을 설계하기 위해.
• 다양한 트래픽 부하 조건 하에서 FDM-FDMA 및 OFDM-FDMA 기반 구현의 성능을 평가하고 비교하기 위해.

제안 방법

• 필요한 대역폭보다 작은 각각의 비연속 채널을 사용하여 다중미디어 신호를 전송하기 위해 FDM-FDMA 및 OFDM-FDMA 기법을 활용한다.
• 노드들이 동시에 다수의 채널을 감지하여 비활성 채널을 식별하는 분산 감지 메커니즘을 적용한다.
• 이중 단계 프로토콜을 도입한다: 첫 번째 단계는 TAM(채널 할당 메시지) 및 NACK/ACK 신호를 사용한 시도 기반 채널 확보; 두 번째 단계는 CHALLOC 또는 CRM 메시지를 통한 최종 예약.
• 충돌을 방지하기 위해 TAM 메시지를 통한 일시적 예약 메커니즘을 사용하며, 타임아웃 및 재시도 횟수 제한을 적용한다.
• OFDM-FDMA에서 경쟁을 방지하기 위해 무작위 채널 선택 전략을 적용하여 1에서 MAX까지의 j개의 서로 다른 채널을 현재 집합에 포함되지 않은 채널에서 선택한다.
• 일시적으로 차단된 채널과 영구적으로 예약된 채널를 추적하기 위해 로컬 채널 사용 및 예약 데이터베이스를 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 필요한 너비를 갖는 단일 연속 스펙트럼 대역이 존재하지 않는 인지 무선 네트워크에서 다중미디어 통신을 효과적으로 지원할 수 있는가?
• RQ2 고부하 조건에서 기존의 최초 적합 및 최적 적합 할당 방식과 비교해 볼 때, FDM-FDMA 및 OFDM-FDMA를 활용한 비연속 채널 할당의 성능은 어떠한가?
• RQ3 제안된 방법이 실용적인 시간 범위 내에서 성공적인 채널 할당을 달성할 수 있는 최대 트래픽 부하는 얼마인가?
• RQ4 다양한 네트워크 조건 하에서 FDM-FDMA 및 OFDM-FDMA 구현 방식은 할당 지연 및 확장성 측면에서 어떻게 다름이 있는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 FDM-FDMA를 사용할 경우 96%의 트래픽 부하 조건에서도 1초 이내에 성공적인 채널 할당을 달성하며, 이 조건에서 최초 적합 및 최적 적합 기법은 완전히 실패한다.
• OFDM-FDMA를 사용할 경우 96%의 부하 조건에서도 할당 과정이 4.5초 내로 완료되며, 기존 방법들이 실패하는 상황에서도 성공적으로 작동한다.
• 경우의 수에 관계없이 경하에서 극도로 높은 부하에 이르기까지, 채널 확보에 필요한 평균 尝시도 횟수는 최초 적합 및 최적 적합 알고리즘보다 현저히 낮다.
• 스펙트럼이 극도로 분할된 상태에서도 채널 확보 과정이 높은 신뢰성과 낮은 지연을 유지하며 성공적으로 수행된다.
• OFDM-FDMA에서의 병렬 감지 및 무작위 채널 선택 전략은 경쟁을 감소시키고 채널 접근의 공정성을 향상시킨다.
• 제안된 프로토콜은 CRM 메시지를 통해 적시에 채널 해제를 보장하여 간섭을 최소화하고 스펙트럼 재사용을 향상시킨다.