[论文解读] Connectivity of Cognitive Radio Networks: Proximity vs. Opportunity

Wei Ren, Qing Zhao+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2009

Opinion Dynamics and Social Influence被引用 2

一句话总结

本文通过建模次用户密度与主用户活动之间的相互作用，分析大规模认知无线电网络的连通性。利用连续渗透理论，基于密度对定义连通区域，并揭示了邻近度（邻居数量）与频谱机会之间的权衡，通过优化次用户发射功率以最大化对主用户流量负载的鲁棒性。

ABSTRACT

We address the connectivity of large-scale ad hoc cognitive radio networks, where secondary users exploit channels temporarily and locally unused by primary users and the existence of a communication link between two secondary users depends not only on the distance between them but also on the transmitting and receiving activities of nearby primary users. We introduce the concept of connectivity region defined as the set of density pairs — the density of the secondary users and the density of the primary transmitters — under which the secondary network is connected. Using theories and techniques from continuum percolation, we analytically characterize the connectivity region of the secondary network by showing its three basic properties and analyzing its two critical parameters. Furthermore, we reveal the tradeoff between proximity (the number of neighbors) and the occurrence of spectrum opportunities by studying the impact of the secondary users ’ transmission power on the connectivity region of the secondary network, and design the transmission power of the secondary users to maximize their tolerance to the primary traffic load.

研究动机与目标

• 理解主用户活动与次用户密度如何共同影响认知无线电网络的连通性。
• 定义并表征连通区域——即次用户保持连通的密度对集合。
• 研究次用户邻居数量（邻近度）与频谱机会可用性之间的权衡。
• 设计次用户发射功率，以在维持网络连通性的同时，最大化对主用户流量负载的容忍度。

提出的方法

• 将次用户网络建模为泊松点过程，主用户发射机建模为另一个独立的泊松点过程。
• 应用连续渗透理论，分析次用户网络中是否存在无限连通分量。
• 将连通区域定义为在该区域中渗透现象发生的次用户密度与主用户发射机密度的配对集合。
• 推导出两个关键参数，用于表征连通区域边界的特性。
• 分析次用户发射功率对连通区域形状与大小的影响。
• 优化发射功率，以最大化网络对不同主用户流量负载的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种次用户与主用户发射机密度对的集合下，次用户网络能够保持连通？
• RQ2 次用户发射功率如何影响连通区域的大小与形状？
• RQ3 次用户邻居数量（邻近度）与频谱机会可用性之间存在何种权衡？
• RQ4 如何优化次用户发射功率，以在保持连通性的同时，最大化对主用户流量负载的容忍度？

主要发现

• 通过连续渗透理论对连通区域进行了理论表征，其边界由三个基本性质和两个关键参数定义。
• 提高次用户发射功率可扩大连通区域，从而增强对主用户活动的鲁棒性。
• 邻近度（更高邻居数）与频谱机会之间存在权衡：更高的发射功率虽提升连通性，但会减少可用的频谱窗口。
• 可推导出最优发射功率，以在维持连通性的同时，最大化网络对主用户流量负载的容忍度。
• 次用户网络在一系列密度对下保持连通，连通区域受依赖于发射功率的临界阈值所限制。
• 模型表明，只要发射功率合理调节，即使在中等程度的主用户活动下，次用户网络仍能维持连通性。