[論文レビュー] Throughput of a Cognitive Radio Network under Congestion Constraints: A Network-Level Study

Νικόλαος Παππάς, Marios Kountouris|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2015

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing参考文献 13被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、バーストトラフィックを示すプライマリユーザーと飽和状態のセカンダリユーザーを有する認知無線ネットワークを分析し、プライマリ性能の劣化を避けるために、混雑制限付きランダムアクセスプロトコルを用いる。プライマリキューをマルコフ連鎖としてモデル化し、マルチパケット受信（MPR）機能を活用することで、プライマリキューの安定性、セカンダリスループット、およびネットワーク全体のスループットに関する解析的式を導出。その結果、強力なMPR能力は、プライマリ信頼性を損なわずにセカンダリ伝送の機会を著しく向上させることを示している。

ABSTRACT

In this paper we analyze a cognitive radio network with one primary and one secondary transmitter, in which the primary transmitter has bursty arrivals while the secondary node is assumed to be saturated (i.e. always has a packet waiting to be transmitted). The secondary node transmits in a cognitive way such that it does not impede the performance of the primary node. We assume that the receivers have multipacket reception (MPR) capabilities and that the secondary node can take advantage of the MPR capability by transmitting simultaneously with the primary under certain conditions. We obtain analytical expressions for the stationary distribution of the primary node queue and we also provide conditions for its stability. Finally, we provide expressions for the aggregate throughput of the network as well as for the throughput at the secondary node.

研究の動機と目的

• バーストトラフィックを示すプライマリユーザーと飽和状態のセカンダリユーザーを有する認知無線ネットワークの性能を調査すること。
• 混雑に基づくアクセスプロトコルを通じて、セカンダリ伝送がプライマリネットワーク性能に悪影響を及えないようにすること。
• プライマリキューを離散時間マルコフ連鎖としてモデル化し、その定常分布および安定性条件を導出すること。
• マルチパケット受信（MPR）機能を前提とした条件下で、セカンダリユーザーのスループットとネットワーク全体のスループットを定量すること。
• 送信確率、到着率、混雑限界といった主要パラメータがネットワーク性能に与える影響を評価すること。

提案手法

• セカンダリアクセスルールに基づく状態依存遷移を有する離散時間マルコフ連鎖として、プライマリユーザーのキューをモデル化する。
• プライマリキューがMパケットを超えるとセカンダリ伝送を制限する混雑限界Mを導入する。
• SINR閾値に基づき、複数同時伝送の成功受信を可能にするマルチパケット受信（MPR）モデルを導入する。
• バランス方程式を用いてプライマリキューの定常分布を導出し、安定性条件を解明する。
• 送信確率q、到着率λ、混雑限界Mを変数とする関数としてセカンダリユーザーのスループットを定式化する。
• MPR成功確率を組み込んだ上で、ネットワーク全体のスループットをプライマリおよびセカンダリスループットの和として表現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 混雑限界Mの導入が、認知無線ネットワークにおけるプライマリキューの安定性およびスループットに与える影響は何か？
• RQ2 プライマリキュー制約を尊重するランダムアクセスプロトコル下でのセカンダリユーザーのスループットに対する解析的式は何か？
• RQ3 マルチパケット受信（MPR）機能が、ネットワーク全体のスループットおよびセカンダリ伝送機会に与える影響は何か？
• RQ4 プライマリキューが安定する条件は何か？また、その安定性は到着率λおよびセカンダリ送信確率qにどのように依存するか？
• RQ5 異なるリンク成功確率およびMPR能力の下で、プライマリ信頼性とセカンダリスループットのトレードオフはどのように変化するか？

主な発見

• 到着率λが有効サービスレート未満である限り、プライマリキューは安定する。有効サービスレートは成功確率および混雑限界Mに依存する。
• セカンダリユーザーのスループットはλ、μ₁、μ₂、Mを含む閉形式式で与えられ、Mが小さい場合およびシステムが飽和していない場合にMの増加に伴いスループットが増加する。
• 受信機が強力なMPR能力を有する場合、セカンダリ送信確率qの増加により、全体およびセカンダリスループットが上昇する。
• 逆に、MPR能力が弱い場合、qの増加は衝突と干渉の増加を引き起こし、結果としてセカンダリスループットが低下する。
• プライマリ到着率λが増加すると、キューの占有度が高まるためセカンダリスループットは低下するが、プライマリリンクが安定かつ活性なままであるため、ネットワーク全体のスループットは依然として上昇する。
• λが小さい場合には混雑限界Mの影響が最小限にとどまるが、λが安定性の閾値に近づくと、特にMPR能力が弱い条件下ではMの影響が顕著に現れる。