[논문 리뷰] Spectral Efficiency Optimized Adaptive Transmission for Cognitive Radios in an Interference Channel

Mehrdad Taki, Farshad Lahouti|ArXiv.org|2009. 02. 28.

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing참고 문헌 17인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 낙폭 간섭 채널에서 인지 링크의 스펙트럼 효율을 최대화하면서도 주 링크에 최소 스펙트럼 효율을 보장하는, 협의가 불필요한 인지 방식의 전송 기법을 제안한다. 신호 대 잡음 및 간섭비(SNIR) 피드백과 적응형 변조/채호, 전력 제어를 활용하여, 빠른 준최적 알고리즘을 통해 거의 최적의 성능를 달성하며, 기존의 언더레이 및 인터웨이브 접근 방식보다 스펙트럼 효율성이 뛰어나면서도 복잡도가 최소화된다.

ABSTRACT

In this paper, we consider a primary and a cognitive user transmitting over a wireless fading interference channel. The primary user transmits with a constant power and utilizes an adaptive modulation and coding (AMC) scheme satisfying a bit error rate requirement. We propose a link adaptation scheme to maximize the average spectral efficiency of the cognitive radio, while a minimum required spectral efficiency for the primary user is provisioned. The resulting problem is constrained to also satisfy a bit error rate requirement and a power constraint for the cognitive link. The AMC mode selection and power control at the cognitive transmitter is optimized based on the scaled signal to noise plus interference ratio feedback of both links. The problem is then cast as a nonlinear discrete optimization problem for which a fast and efficient suboptimum solution is presented. We also present a scheme with rate adaption and a constant power. An important characteristic of the proposed schemes is that no negotiation between the users is required. Comparisons with underlay and interweave approaches to cognitive radio with adaptive transmission demonstrate the efficiency of the proposed solutions.

연구 동기 및 목표

• 낙폭 간섭 채널에서 인지 링크의 평균 스펙트럼 효율을 극대화하는 인지 방식의 전송 전략을 설계한다.
• 실시간 조율이 필요 없이 주 사용자에 대해 최소 요구 평균 스펙트럼 효율을 확보한다.
• 인지 링크에서 비트 오류율(BER) 및 전력 제약 조건을 모두 충족시킨다.
• 중앙 집중식 제어 또는 사용자 간 협의 없이도 인지 무선에서만 작동하는 분산형 피드백 기반 최적화 기법을 개발한다.
• 적응형 전송 조건 하에서 기존의 언더레이 및 인터웨이브 인지 무선 접근 방식보다 스펙트럼 효율성을 뛰어나게 한다.

제안 방법

• 인지 송신기는 주 링크 및 인지 링크 양측의 스케일링된 신호 대 잡음 및 간섭비(SNIR) 피드백을 이용하여 전송 모드를 적응적으로 조정한다.
• 제약 조건 하에서 인지 스펙트럼 효율을 극대화하기 위해 적응형 변조 및 채호(AMC)와 함께 공동 전력 제어를 적용한다.
• 주 링크 스펙트럼 효율, BER, 인지 전력 예산에 대한 제약 조건을 포함한 비선형 이산 최적화 문제를 수립한다.
• O(Υ²) 최악의 경우 복잡도를 가지며, 완전 탐색에 비해 계산 부담을 크게 줄이는 빠른 준최적 반복 알고리즘을 제안한다.
• 두 가지 기법을 평가한다: 적응형 비트 전송률 및 전력 제어 기법과 일정 전력, 비트 전송률 적응 기법.
• 중앙 집중식 제어나 사용자 간 협의 없이 피드백을 이용해 인지 무선에서 현지적으로 최적화를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 낙폭 간섭 채널에서 주 링크 성능를 유지하면서 인지 무선의 스펙트럼 효율을 어떻게 극대화할 수 있는가?
• RQ2 BER 및 전력 제약 조건 하에서 인지 링크와 주 링크의 스펙트럼 효율 간 최적의 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ3 협의가 불필요하고 분산형인 인지 전송 기법이 언더레이 및 인터웨이브 접근 방식보다 더 높은 스펙트럼 효율을 달성할 수 있는가?
• RQ4 모듈레이션, 채호 및 전력의 피드백 기반 적응이 고정 기반 기법에 비해 시스템 성능를 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 이 인지 무선 환경에서 거의 최적의 스펙트럼 효율을 달성하기 위한 계산 복잡도는 얼마인가?

주요 결과

• 제안된 적응형 전송 기법은 계산 비용이 큰 유전 알고리즘 기반 솔루션과 매우 유사한 스펙트럼 효율 성능를 달성한다.
• 변동 전력 기법은 인지 링크의 평균 스펙트럼 효율에서 언더레이 및 인터웨이브 접근 방식을 크게 능가한다.
• 일정 전력 기법은 언더레이 접근 방식과 거의 유사한 성능를 보이며, 전력 적응이 성능 향상의 핵심임을 시사한다.
• SNIR 영역 수(Υ)를 100 이상으로 늘여도 성능 향상이 거의 없으며, 이는 Υ = 100이 충분한 해상도임을 검증한다.
• 알고리즘은 O(Υ²) 최악의 경우 복잡도로 수렴하며, 완전 탐색의 O(NΥ) 복잡도에 비해 상당한 감소를 이룬다.
• 경로 손실 지수 E = 3인 대규모 경로 손실 모델에서 송수신기 간 거리가 증가할수록 간섭이 감소하고 시스템 성능이 향상된다.