[논문 리뷰] Optimal Transmit Power Allocation for MIMO Two-Way Cognitive Relay Networks with Multiple Relays

Ahmad Alsharoa, Hakim Ghazzai외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 29.

Cooperative Communication and Network Coding참고 문헌 8인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 다수의 앰플리파이-앤드-포워드 리레이를 갖는 MIMO 두 방향 인지 리레이 네트워크에서 최적의 전력 할당 방식을 제안하며, 주 사용자 간섭과 전송 전력 제약 조건 하에서 부가적 합산 속도를 최대화한다. 볼록 최적화를 사용하여 유도된 분석적 해는 안테나 수나 리레이 수를 늘일수록 스펙트럼 효율이 크게 향상됨을 보여주며, 고전력 제약 조건 하에서 하나의 안테나 대비 네 개의 안테나를 사용할 경우 180%의 속도 향상을 관찰하였다.

ABSTRACT

In this letter, we consider a multiple-input multiple-output two-way cognitive radio system under a spectrum sharing scenario, where primary and secondary users operate on the same frequency band. The secondary terminals aims to exchange different messages with each other using multiple relays where each relay employs an amplify-and-forward strategy. The main objective of our work is to maximize the secondary sum rate allowed to share the spectrum with the primary users by respecting a primary user tolerated interference threshold. In this context, we derive a closed-form expression of the optimal power allocated to each antenna of the terminals. We then discuss the impact of some system parameters on the performance in the numerical result section.

연구 동기 및 목표

• 다수의 앰플리파이-앤드-포워드 리레이를 갖는 MIMO 두 방향 인지 리레이 네트워크에서 부가적 합산 속도를 최대화하기.
• 주 사용자(QoS) 품질을 확보하기 위해 부가적 네트워크에 간섭 임계값 제약 조건을 부여하기.
• 부가적 단말기의 개별 안테나에 대한 최적 전력 할당을 위한 닫힌 형태의 분석적 해를 도출하기.
• 리레이 수, 안테나 수, 전력 예산과 같은 시스템 파라미터가 성능에 미치는 영향을 조사하기.

제안 방법

• 피크 전력 및 간섭 임계값 제약 조건 하에서 부가적 합산 속도를 최대화하기 위한 제약 조건이 있는 최적화 문제를 수립한다.
• 라그랑주 승수법과 카슈-쿠른-터커(Karush-Kuhn-Tucker, KKT) 조건을 사용하여 각 안테나에 대한 최적 전력 할당을 유도한다.
• 채널 상태 정보와 라그랑주 승수를 기반으로 식 (12)에 의해 주어진, 각 단말기 안테나의 최적 전송 전력에 대한 분석적 표현을 유도한다.
• 단말기에서 전체 채널 상태 정보(Channel State Information, CSI)를 가정하며, 신호를 정렬하기 위해 유니터리 전처리 및 복호화 행렬을 사용한다.
• 부가적 리레이 및 단말기가 주 사용자에 미치는 간섭을 모델링하며, 평균 간섭 전력에 대한 제약 조건을 설정한다.
• 리레이 증폭 계수, 리레이 수, 안테나 구성과 같은 다양한 시스템 파라미터에 따라 수치 시뮬레이션을 통해 성능를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주 사용자 간섭 제약 조건 하에서 다수의 앰플리파이-앤드-포워드 리레이를 갖는 MIMO 두 방향 인지 리레이 네트워크에서 부가적 합산 속도를 어떻게 최대화할 수 있는가?
• RQ2 전력 및 간섭 제약 조건을 만족시키면서 최대 합산 속도를 달성하기 위해 부가적 단말기의 각 안테나에 대한 최적 전력 할당 전략은 무엇인가?
• RQ3 리레이 수, 리레이 증폭 계수, 안테나 수와 같은 시스템 파라미터가 달성 가능한 합산 속도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 리레이 수를 늘리는 것과 안테나 수를 늘리는 것 중 어느 것이 스펙트럼 효율에 더 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 전송 전력, 리레이 전력, 간섭 임계값의 변화에 따라 최적의 리레이 증폭 계수는 어떻게 변하는가?

주요 결과

• 최적 전력 할당에 대한 유도된 분석적 해(식 12)는 시뮬레이션 결과와 매우 유사하여 이론 모델의 타당성을 검증한다.
• 피크 전력 제약 조건이 높을 경우, 리레이 수를 2개에서 6개로 늘일 때, 안테나 수를 1개에서 4개로 늘였을 때와 비교해 부가적 합산 속도가 최대 180% 향상된다.
• 피크 전송 전력(¯Pt)이 증가함에 따라 최적의 리레이 증폭 계수(wopt)는 감소하며, 간섭 및 전력 제약 조건을 만족시키기 위함이다.
• 리레이 전력 예산(¯Pr)을 늘일수록 최적의 증폭 계수 wopt가 증가하여 시스템 합산 속도가 향상된다.
• 공간 다이나믹스와 자유도의 증가로 인해 리레이를 추가하는 것이 안테나를 추가하는 것보다 합산 속도에 더 큰 영향을 미친다.
• 간섭 임계값(Ith)을 높일 경우, 전력 예산이 그대로 유지되는 한 최적의 증폭 계수에 영향을 주지 않으며, 달성 가능한 합산 속도는 증가한다.