[논문 리뷰] Optimal Power Control over Fading Cognitive Radio Channels by Exploiting Primary User CSI

Rui Zhang|ArXiv.org|2008. 04. 10.

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing참고 문헌 21인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 fading 코그니티브 라디오 채널에서 최적의 전력 제어를 위한 새로운 주요 용량 손실 제약(PCLC)을 제안한다. 이 제약은 주요 사용자(PU) 링크의 완전한 채널 상태 정보(CSI)를 활용한다. PU의 CSI를 이용해 SU는 전력 조절을 동적으로 수행함으로써 PU 용량 저하를 최소화하며, 기존 간섭 온도 기반 전력 제어 대비 최대 50% 높은 SU 에르고딕 용량을 달성한다.

ABSTRACT

This paper is concerned with spectrum sharing cognitive radio networks, where a secondary user (SU) or cognitive radio link communicates simultaneously over the same frequency band with an existing primary user (PU) link. It is assumed that the SU transmitter has the perfect channel state information (CSI) on the fading channels from SU transmitter to both PU and SU receivers (as usually assumed in the literature), as well as the fading channel from PU transmitter to PU receiver (a new assumption). With the additional PU CSI, we study the optimal power control for the SU over different fading states to maximize the SU ergodic capacity subject to a new proposed constraint to protect the PU transmission, which limits the maximum ergodic capacity loss of the PU resulted from the SU transmission. It is shown that the proposed SU power-control policy is superior over the conventional policy under the constraint on the maximum tolerable interference power/interperferecne temperature at the PU receiver, in terms of the achievable ergodic capacities of both PU and SU.

연구 동기 및 목표

• 기존의 간섭 온도(IT) 제약이 주요 사용자(PU) 전송을 보호하면서도 보조 사용자(SU) 스루풋을 최대화하는 데 있어 열등한 성능을 보이는 문제를 해결하기 위해.
• 단지 SU-PU 채널 이득을 넘어서 전체 PU CSI를 활용할 경우, 스펙트럼 공유 코그니티브 라디오 네트워크에서 더 나은 성능 트레이드오���이 가능할지 탐색하기 위해.
• 간섭 전력 제약이 아닌, 주로 PU의 최대 에르고딕 용량 손실을 직접 제한하는 새로운 전력 제어 정책을 설계하기 위해.
• PU 및 SU 양측의 에르고딕 용량 측면에서 기존 평균 간섭 전력 제약(AIPC) 대비 제안된 PCLC 기반 전력 제어의 우수성을 입증하기 위해.

제안 방법

• SU 전송로 인한 PU의 허용 가능한 최대 에르고딕 용량 손실을 제한하는 새로운 주요 용량 손실 제약(PCLC)을 도입한다.
• PCLC 하에서 최적의 SU 전력 제어 정책을 유도하며, 이는 SU-PU 및 PU-PU 채널의 fading 상태에 따라 전송 전력을 적응적으로 조절한다.
• PU의 에르고딕 용량을 성능 지표로 사용하며, 제약 조건으로써 PU의 구현 가능한 전송률이 임계치(예: 최대 용량의 95%) 이하로 떨어지지 않도록 한다.
• 제안된 PCLC 기반 정책을 기존 AIPC 기반 전력 제어와 비교하며, SU의 전력은 PU 수신기에서의 평균 간섭 전력으로 제한된다.
• 성능 향상을 검증하기 위해 페이딩 가우시안 다중접속 채널(MAC)을 용량 상한선으로 활용한다.
• 상수 전력(CP) 및 워터필링(WF) PU 전력 제어 정책을 모두 분석하여, PU의 전력 적응 전략이 SU 성능 향상에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PU-PU 채널까지 포함한 전체 PU CSI를 활용할 경우, 기존의 간섭 온도 제약 대비 코그니티브 라디오 네트워크에서 성능 향상이 이루어질 수 있는가?
• RQ2 제안된 PCLC 기반 전력 제어 정책은 PU 및 SU 양측의 구현 가능한 에르고딕 용량 측면에서 기존 AIPC 기반 정책과 비교해 어떻게 성능가능한가?
• RQ3 PU의 자체 전력 제어 전략(예: CP 대비 WF)은 제안된 SU 전력 제어 정책의 성능 향상에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 PU 전송 전력이 채널 조건에 따라 변하는 경우, 제안된 PCLC 정책이 더 효과적으로 작용하는가?
• RQ5 이 코그니티브 라디오 설정에서의 이론적 용량 상한선은 무엇이며, 제안된 방법은 이 상한선에 얼마나 가까이 도달하는가?

주요 결과

• PU 용량 손실이 5%로 제한된 조건에서, 제안된 PCLC 기반 전력 제어는 기존 AIPC 기반 제어 대비 최대 28% 높은 SU 에르고딕 용량을 달성한다.
• 워터필링(WF) PU 전력 제어를 사용할 경우, 동일한 5% PU 용량 손실 제약 조건 하에서 SU 용량 향상은 최대 50%에 이른다.
• 제안된 정책 하에서 SU 용량은 PU가 최대 가능한 에르고딕 용량을 달성할 때만 0이 되며, 이는 최적의 자원 할당을 의미한다.
• 반대로, WF 정책 하에서는 PU가 최고 용량에서 작동하더라도 SU는 여전히 비영인 에르고딕 용량을 유지하므로 더 높은 스펙트럼 효율성을 보인다.
• 제안된 방법은 PU CSI를 활용해 PU 채널의 깊은 페이딩 상태에서 간섭의 영향이 최소화되는 시점에 더 많은 전력을 전송함으로써 AIPC 기반 방법보다 우수한 성능을 낸다.
• 보조 다중접속 채널(MAC)에서 유도된 용량 상한선은 제안된 방법이 특히 WF PU 전력 제어 하에서 이론적 합용량 한계에 매우 가까이 도달하고 있음을 확인한다.