[논문 리뷰] Spatial MAC in MIMO Communications and its Application to Underlay Cognitive Radio

Yair Noam, Andrea Goldsmith|arXiv (Cornell University)|2012. 02. 01.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 16인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 송신자 간의 수신자 간 협업 없이 간섭 채널의 영공간을 이용함으로써 MIMO 2차 사용자(SU)가 주 사용자(PU)와 공존할 수 있도록 하는 빔형 학습 기법인 에너지 기반 채널 학습(EBCL)을 제안한다. SU는 낮은 레이트의 비콘 신호의 에너지 측정을 통해 PU의 간섭 채널을 학습하며, 이는 채널 공유 및 다중접속을 가능하게 하여, 하향 협용 무선 및 다중 사용자 MIMO 시스템에서 스펙트럼 이용률을 극대화한다.

ABSTRACT

We propose a learning technique for MIMO secondary users (SU) to spatially coexist with Primary Users (PU). By learning the null space of the interference channel to the PU, the SU can utilize idle degrees of freedom that otherwise would be unused by the PU. This learning process does not require any handshake or explicit information exchange between the PU and the SU. The only requirement is that the PU broadcasts a periodic beacon that is a function of its noise plus interference power, through a low rate control channel. The learning process is based on energy measurements, independent of the transmission schemes of both the PU and SU, i.e. independent of their modulation, coding etc.. The proposed learning technique also provides a novel spatial division multiple access mechanism for equal-priority MIMO users sharing a common channel that highly increases the spectrum utilization compared to time based or frequency multiple access.

연구 동기 및 목표

• 주 사용자(PU)의 협업이 불가능한 상황에서 2차 사용자(SU)가 MIMO 인지 무선 네트워크에서 해로운 간섭을 유발하지 않고 전송할 수 있도록 하는 도전 과제를 해결한다.
• 높은 협업, 학습 시퀀스, 피드백이 요구되는 기존의 인지 무선 채널 추정 기법의 한계를 극복한다.
• 각 사용자가 상대방의 간섭 영공간을 명시적인 조율 없이 학습할 수 있도록 하여 동일 우선순위의 MIMO 시스템에서 공간 분할 다중접속(SDMA)을 실현한다.
• PU의 주기적 비콘 신호만으로도 SU가 에너지 측정을 통해 간섭 채널을 빔형으로 학습할 수 있도록 최소 협업 메커니즘을 설계한다.
• SU가 PU 채널의 영공간에서 전송함으로써 비어 있는 공간 자유도를 활용함으로써 높은 스펙트럼 효율성을 달성한다.

제안 방법

• 에너지 측정만을 사용하여 PU 신호의 간섭 채널 영공간을 추정할 수 있도록 하는 에너지 기반 채널 학습(EBCL) 알고리즘을 제안한다.
• PU가 주기적으로 노이즈 및 간섭 전력 비례의 낮은 레이트 제어 채널을 통해 비콘 신호를 방송함으로써 빔형 학습을 가능하게 한다.
• 모odulation 또는 코딩 방식과 무관하게 PU의 에너지 기반 피드백을 이용해 간섭 채널 행렬을 추정하는 제약 피드백 기반 영공간 학습(CF-BNSL) 알고리즘을 적용한다.
• 행렬 $\mathbf{G}_i = \mathbf{H}_{ji}^*\mathbf{H}_{ji}$ 의 고유값 분해를 기반으로 각 사용자의 전치행렬을 유도하며, 영고유값에 해당하는 고유벡터를 선택하여 영공간을 구성한다.
• SU가 PU 채널의 영공간에서만 전송하도록 보장함으로써 정적 간섭 조건을 가정할 경우 PU에 대한 간섭을 완전히 제거한다.
• 양방향 영공간 학습을 통해 동일 우선순위의 MIMO 사용자 간에 상호 학습이 가능하게 하여, 두 사용자가 동시에 자신의 영공간에서 전송할 수 있도록 기법을 확장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2차 사용자가 명시적인 채널 학습이나 피드백 없이 주 사용자에 대한 간섭 채널의 영공간을 학습할 수 있는가?
• RQ2 2차 사용자가 간섭 채널을 빔형으로 학습할 수 있도록 하기 위해 주 사용자로부터 필요한 최소한의 협업은 무엇인가?
• RQ3 에너지 측정만을 사용하여 동일 우선순위의 MIMO 시스템에서 공간 분할 다중접속을 어떻게 실현할 수 있는가?
• RQ4 제안된 빔형 공간 MAC 기법은 기존의 FDMA 또는 TDMA 대비 어떤 스펙트럼 효율성 향상을 달성할 수 있는가?
• RQ5 EBCL 알고리즘이 신뢰할 수 있는 영공간 추정과 간섭 없는 전송을 달성할 수 있는 채널 조건는 무엇인가?

주요 결과

• EBCL 알고리즘은 낮은 레이트의 비콘 신호에 대한 에너지 측정만을 사용하여 2차 사용자가 주 사용자에 대한 간섭 채널의 영공간을 학습할 수 있으며, 수신자 간 협업이나 명시적 채널 추정 없이도 가능하다.
• 이 방법은 조정 방식과 무관하게 에너지 측정에 의존하므로 다양한 무선 시스템에 적용 가능하며, 간섭 방식에 대한 민감도가 낮다.
• 전송 안정도가 보장되는 조건에서 $t_i \geq r_j$ 인 ZMSW(영평균 공간 백색) MIMO 채널에서는 EBCL 알고리즘이 각 사용자에게 자유도 $r_i \times (t_i - r_j)$ 를 갖는 ZMSW 채널을 제공하여 영공간 내 신뢰성 있는 전송을 보장한다.
• 제안된 공간 분할 다중접속(Spatial Coexistence Scheme, SCS) 기법은 두 사용자가 충분한 전송 안테나를 갖춘 경우 기존의 FDMA 또는 TDMA보다 더 높은 자유도를 달성한다.
• 2차 사용자 간의 간섭이 정적일 경우, 동일 대역에서 여러 SU가 PU와 공존할 수 있으며 간섭이 증가하지 않는다.
• CF-BNSL 알고리즘이 간섭 채널의 영공간을 성공적으로 추정하여, SU가 PU에 간섭 없이 전송하면서도 스펙트럼 효율성을 극대화할 수 있다.