[논문 리뷰] Rate Adaptation for Cognitive Radio under Interference from Primary Spectrum User

Petar Popovski, Hiroyuki Yomo외 2명|ArXiv.org|2007. 05. 09.

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing참고 문헌 5인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 주파수 효율을 극대화하기 위해 인지 무선 시스템에서 기회적 간섭 제거(OIC)를 제안한다. 주파수 간섭이 존재하는 조건에서 주파수 효율을 극대화하기 위해, 채널 상태가 允許할 경우 주파수 신호를 디코딩하고, 다중 채널에 걸쳐 간섭 제거를 고려한 물방울 분배 전략을 사용함으로써, 기존 방법에 비해 상당히 높은 데이터 전송률을 달성한다. 실제 간섭 조건 하에서 시뮬레이션 결과, 최대 30%의 성능 향상이 관찰되었다.

ABSTRACT

A cognitive radio can operate as a secondary system in a given spectrum. This operation should use limited power in order not to disturb the communication by primary spectrum user. Under such conditions, in this paper we investigate how to maximize the spectral efficiency in the secondary system. A secondary receiver observes a multiple access channel of two users, the secondary and the primary transmitter, respectively. We show that, for spectrally-efficient operation, the secondary system should apply Opportunistic Interference Cancellation (OIC). With OIC, the secondary system decodes the primary signal when such an opportunity is created by the primary rate and the power received from the primary system. For such an operation, we derive the achievable data rate in the secondary system. When the primary signal is decodable, we devise a method, based on superposition coding, by which the secondary system can achieve the maximal possible rate. Finally, we investigate the power allocation in the secondary system when multiple channels are used. We show that the optimal power allocation with OIC can be achieved through intercepted water-filling instead of the conventional water-filling. The results show a significant gain for the rate achieved through an opportunistic interference cancellation.

연구 동기 및 목표

• 주파수 간섭 하에서 주파수 효율을 극대화하면서도 전력 제약을 준수하는 인지 무선 시스템을 위한 목표.
• 주파수 시스템의 전송 속도와 채널 조건가를 사전에 알 수 없는 조건에서 보조 시스템의 전송률 적응 문제를 해결하는 것.
• 기회적 주파수 신호 디코딩을 활용하는 다중 채널 인지 무선 시스템을 위한 실용적인 전력 분배 전략 개발.
• 기존의 물방울 분배를 새로운 간섭 제거를 고려한 간섭 제거 물방울 분배로 대체하는 것.

제안 방법

• 보조 수신기가 보조 및 주파수 송신기로 구성된 다중 액세스 채널을 관측함으로써, 조건이 허락할 경우 공동 디코딩이 가능하다.
• 수신된 주파수 신호의 전력과 주파수 속도가 보조 수신기에서 성공적인 디코딩을 가능하게 할 경우 기회적 간섭 제거(OIC)가 적용된다.
• 시간 공유 없이 다중 액세스 채널의 모든 전송률 조합을 달성하기 위해 슈퍼포지션 코드 기반 전송 방식을 설계하였다.
• 다중 채널 운영을 위해, 주파수 신호의 성공적 디코딩 확률에 따라 적응하는 간섭 제거 물방울 분배 전략이 도입되었다.
• 보조 시스템의 가능 전송률은 보조 송신 전력, 주파수 신호 전력, 주파수 데이터 전송률의 함수로 유도되었다.
• 수치적 평가는 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하였으며, 10,000회 반복하였고, 채널 이득은 평균 신호 대 잡음비(SNR)가 주파수 채널과 간섭 채널 각각 20 dB와 23 dB인 지수 분포 변수로 모델링되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주파수 시스템의 전송 파rameter를 사전에 알 수 없는 조건에서, 주파수 간섭 하에서 기술적 무선 시스템이 어떻게 최대 전송률을 달성할 수 있는가?
• RQ2 채널 조건과 주파수 속도 선택에 따라 기회적으로 주파수 신호를 디코딩할 수 있는 인지 무선 시스템의 가능 전송률 영역은 무엇인가?
• RQ3 간섭 제거가 특정 조건에서만 가능할 경우, 다중 간섭 채널에 걸쳐 전력이 어떻게 분배되어야 총 전송률을 극대화할 수 있는가?
• RQ4 기회적 간섭 제거가 가능한 다중 채널 인지 무선 시스템에서, 기존의 물방울 분배 대비 간섭 제거 물방울 분배의 성능 향상은 어느 정도인가?

주요 결과

• 제안된 OIC 기반 전송률 적응 전략은 기존 간섭 제한 운영 대비 최대 30% 높은 주파수 효율을 달성한다. 특히 주파수 신호가 디코딩 가능한 경우에 두드러진 성능 향상이 관찰된다.
• 간섭 제거 물방울 분배 전략은 동일한 총 전력 제약 조건 하에서 기존 물방울 분배 전략보다 총 전송률 성능이 뛰어나다.
• 주파수 신호 디코딩을 위한 평균 요구 신호 대 잡음비가 평균 수신 신호 대 잡음비를 초과할 경우(예: 23 dB 대비 20 dB), OIC의 성능 향상은 감소한다. 이는 디코딩 기회가 줄어들기 때문이다.
• 총 전송 에너지가 증가함에 따라 간섭 제거 물방울 분배 전략은 기존 물방울 분배 전략에 수렴하지만, 간섭 제거 기능 덕분에 여전히 더 높은 전송률을 달성한다.
• 이 방법은 주파수 시스템과의 시간 공유나 협조 없이도 다중 액세스 채널의 용량 영역을 완전히 활용할 수 있다.
• 수치적 결과는 OIC와 간섭 제거 물방울 분배 전략이 함께 작용할 경우, 특히 고신호 대 잡음비 영역과 유리한 채널 조건에서 뚜렷한 전송률 향상을 이끌어낸다는 것을 확인한다.