[논문 리뷰] Vandermonde Frequency Division Multiplexing for Cognitive Radio

Leonardo S. Cardoso, Mari Kobayashi외 2명|ArXiv.org|2008. 03. 06.

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing인용 수 29

한 줄 요약

이 논문은 인지 무선를 위한 선형 프리코딩 기법인 바르데모인 주파수 분할 다중화(VFDM)를 제안한다. 이 기법은 주파수 간섭을 유발하지 않도록 하되, 주파수 사용자(Primary User)의 메시지에 대한 지식이 없어도 2차 사용자(Secondary User)가 간섭 없이 전송할 수 있도록 한다. 순환 프리픽스의 부족함을 활용하고 간섭 채널에 대응하는 바르데모인 행렬 프리코더를 사용함으로써, VFDM은 주파수 사용자 수신기에서 간섭을 완전히 제거하면서도 현실적인 802.11a 환경에서 10 dB SNR 조건 하에 최대 8.44 Mbps의 비가소한 데이터 전송률을 달성한다.

ABSTRACT

We consider a cognitive radio scenario where a primary and a secondary user wish to communicate with their corresponding receivers simultaneously over frequency selective channels. Under realistic assumptions that the secondary transmitter has no side information about the primary's message and each transmitter knows only its local channels, we propose a Vandermonde precoder that cancels the interference from the secondary user by exploiting the redundancy of a cyclic prefix. Our numerical examples show that VFDM, with an appropriate design of the input covariance, enables the secondary user to achieve a considerable rate while generating zero interference to the primary user.

연구 동기 및 목표

• 2차 사용자 전송기가 주파수 사용자 메시지를 알지 못하더라도 간섭 없이 전송이 가능한 실용적인 인지 무선 전송 기법을 설계하는 것.
• 실제 조건을 가정하여 운영하는 것: 각 전송기는 자신의 지역 채널 정보만 알고 있으며, 전송기 간 메시지 공유가 이루어지지 않는 것.
• OFDM의 순환 프리픽스 부족함을 활용하여, 구조적인 선형 프리코더를 통해 간섭 제거를 가능하게 하는 것.
• 최적의 입력 공분산 설계를 통해 2차 사용자의 도달 가능한 전송률을 극대화하면서도 주파수 사용자 수신기에서 간섭을 완전히 제거하는 것.
• VFDM이 IEEE 802.11a와 같은 실질적인 인지 무선 환경에서 높은 스펙트럼 효율성 향상을 달성할 수 있음을 입증하는 것.

제안 방법

• 제안된 VFDM 기법은 주파수 사용자 전송기에서 2차 사용자 수신기로의 채널 인과 응답 기반으로 설계된 바르데모인 행렬을 프리코더로 사용한다.
• 프리코더는 바르데모인 행렬의 구조와 주파수 선택성 채널 간의 직교성을 활용하여 주파수 사용자 수신기에서 간섭을 제거한다.
• 프리코더는 채널 응답 h^(21)에 대응하는 L개의 근을 사용하여 구성되며, 순환 프리픽스의 부족함 덕분에 주파수 사용자 수신기에서 간섭 신호가 0이 된다.
• 2차 사용자의 입력 공분산에 대해 워터필링 기반의 전력 할당 전략과 그레디 선택 절차를 적용하여 도달 가능한 전송률을 극대화한다.
• OFDM 기반 시스템에서 N개의 서브캐리어와 크기가 L인 순환 프리픽스를 가정하고 분석하며, 주파수 선택성 fading과 전송기에서의 정확한 지역 채널 상태 정보를 전제로 한다.
• 유용한 채널 행렬의 질량이 바르데모인 행렬의 근의 크기에 따라 결정되며, 이는 도달 가능한 전송률에 영향을 미친다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2차 전송기가 주파수 사용자의 메시지를 알지 못하더라도 선형 프리코딩 기법이 주파수 사용자 수신기에서 간섭을 제거할 수 있는가?
• RQ2 실제 채널 조건 하에서 주파수 사용자에 대한 간섭을 완전히 보장하면서 2차 사용자가 비영일 전송률을 달성할 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 VFDM 프레임워크에서 2차 사용자의 입력 공분산 설계가 도달 가능한 전송률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 순환 프리픽스 크기와 채널 근의 분포가 바르데모인 프리코더의 질량과 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 VFDM이 간섭 제거와 2차 사용자 전송률 간의 트레이드오프를 허용하도록 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• VFDM은 순환 프리픽스의 부족함과 바르데모인 프리코더의 구조적 직교성을 활용하여 주파수 사용자 수신기에서 간섭을 완전히 제거한다.
• 최적의 워터필링 전력 할당과 그레디 채널 선택을 통해, 주파수 사용자 수신기에서 목표 전송률 36 Mbps를 유지하면서 2차 사용자는 10 dB SNR 조건 하에서 8.44 Mbps의 전송률을 달성한다. 이는 IEEE 802.11a 기반 환경에서의 결과이다.
• 간섭이 존재할 경우(σ₁₂ > 0), 입력 공분산 설계에 관계없이 SNR이 증가함에 따라 2차 사용자 전송률이 유한한 범위에 머무르게 된다.
• 도달 가능한 전송률에 핵심적인 영향을 미치는 효과적 채널 행렬의 질량은 바르데모인 근의 진폭에 매우 민감하게 의존하며, 단위 원 밖의 근은 큰 N과 L에 대해 질량을 크게 감소시킨다.
• 고정된 비율 c = L/N 조건 하에서, 바르데모인 행렬의 질량이 감소하는 임계 프리픽스 크기 L*가 존재하며, 이는 성능 설계의 트레이드오프를 시사한다.
• 제안된 입력 공분산 최적화는 특히 간섭이 약할 경우(σ₁₂ = 0.01 이하) 등가 전력 할당 대비 뚜렷한 전송률 향상을 제공한다.