[論文レビュー] Spectral Efficiency Optimized Adaptive Transmission for Cognitive Radios in an Interference Channel

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

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing参考文献 17被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、フェージング干渉チャネルにおける認知リンクのスペクトル効率を最大化するとともに、プライマリリンクの最小スペクトル効率を保証する、交渉を要しない認知無線伝送方式を提案する。SNIRフィードバックと適応変調/符号化および電力制御を用いることで、高速な近似的最適アルゴリズムにより、従来のアンダーレイおよびインターレイ方式よりもスペクトル効率が高く、計算複雑度は最小限に抑えられる。

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.

研究の動機と目的

• フェージング干渉チャネルにおける認知リンクの平均スペクトル効率を最大化する認知無線伝送戦略を設計すること。
• リアルタイムの調整を要せず、プライマリユーザーの最小要件を満たす平均スペクトル効率を保証すること。
• 認知リンクにおけるビット誤り率（BER）および電力制約を満たすこと。
• 中央集権的制御やユーザー間交渉を一切行わず、認知無線で独自に動作する分散型フィードバックに基づく最適化方式を開発すること。
• 適応変調を用いた従来のアンダーレイおよびインターレイ認知無線手法よりも、スペクトル効率を向上させる。

提案手法

• 認知送信機は、プライマリリンクおよび認知リンクからのスケーリングされた信号対雑音＋干渉比（SNIR）フィードバックを用いて、送信モードを適応的に変更する。
• 制約のもとで認知スペクトル効率を最大化するために、適応変調と符号化（AMC）と統合された電力制御を採用する。
• プライマリリンクのスペクトル効率、BER、および認知リンクの電力予算に関する制約を含む非線形離散最適化問題を定式化する。
• 計算負荷を従来の全探索に比べ顕著に低減するため、O(Υ²)の最悪計算量を有する高速で近似的最適な反復アルゴリズムを提案する。
• 2つの手法を評価する：1つは適応レートおよび適応電力、もう1つは定常電力とレート適応。
• 最適化はフィードバックを用いて認知無線で局所的に実行され、中央集権的制御やユーザー間交渉の必要性がなくなる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェージング干渉チャネルにおいて、プライマリリンクの性能を維持しつつ、認知無線のスペクトル効率をどのように最大化できるか？
• RQ2 BERおよび電力制約のもとで、認知リンクとプライマリリンクのスペクトル効率の最適なトレードオフは何か？
• RQ3 交渉を要しない分散型認知伝送方式は、アンダーレイおよびインターレイ方式を上回るスペクトル効率を達成できるか？
• RQ4 変調、符号化、電力のフィードバックに基づく適応が、固定方式と比較してシステム性能をどのように向上させるか？
• RQ5 この認知無線環境で、近似的最適スペクトル効率を達成するための計算複雑度は何か？

主な発見

• 提案された適応型伝送方式は、計算負荷の高い遺伝的アルゴリズムベースの解に非常に近いスペクトル効率を達成する。
• 変動電力方式は、認知リンクの平均スペクトル効率において、アンダーレイおよびインターレイ方式を著しく上回る。
• 定常電力方式はアンダーレイ方式とほぼ同等の性能を示しており、電力適応が性能向上の鍵であることを示している。
• SNIR領域数（Υ）を100を超えて増加させても性能向上は顕著ではなく、Υ = 100が十分な解像度であることを裏付けている。
• アルゴリズムの収束はO(Υ²)の最悪計算量を示し、全探索のO(NΥ)に比べて顕著に計算負荷が低減されている。
• パスロス指数E = 3の大型パスロスモデルにおいて、送受信機間の距離を増加させることで干渉が低減し、システム性能が向上する。