[论文解读] Exploiting New Forms of Multiuser Diversity for Spectrum Sharing in Cognitive Radio Networks

Rui Zhang, Ying‐Chang Liang|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2008

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing参考文献 13被引用 6

一句话总结

本文在认知无线电网络中引入了多用户干扰分集（MID），其中次用户利用发射和接收信道的波动，在主用户干扰约束下提升频谱共享性能。结果表明，MID在多址信道（MAC）、广播信道（BC）和并行接入信道（PAC）中均能提供显著优于传统多用户分集的频谱增益。

ABSTRACT

Abstract — Multiuser diversity, as a fundamental property for fading wireless networks, has been widely applied in today’s wireless communication systems. Conventionally, due to the multiuser diversity, the long-term throughput of a wireless system consisting of multiple independently fading communication links can be enhanced by selecting one link with the best instantaneous channel quality to transmit at one time. In this paper, we consider the emerging cognitive radio (CR) wireless network that communicates by sharing the spectrum with an existing primary radio (PR) network. Under the assumption that the CR transmit terminal protects the PR link by applying the interference-power constraint at the PR receiver, we demonstrate several new forms of multiuser diversity in the CR network, named as multiuser interference diversity (MID), which are not present in the traditional wireless systems. Three CR multiuser channel models are considered, including the multiple-access channel (MAC), broadcast channel (BC), and parallel access channel (PAC), for which we characterize the transmit MID (T-MID), the receive MID (R-MID), and the combined T-MID and R-MID, respectively. It is shown that the new discovered MID can achieve substantial performance gains for the CR network in addition to the conventional multiuser diversity. I.

研究动机与目标

• 识别认知无线电网络中传统无线系统所不具备的新形式多用户分集——即多用户干扰分集（MID）
• 分析MID在三种关键认知无线电信道模型（多址信道（MAC）、广播信道（BC）和并行接入信道（PAC））中的利用方式
• 量化在干扰功率约束下，MID相较于传统多用户分集在长期吞吐量方面的性能增益
• 建立认知无线电网络中发射MID（T-MID）、接收MID（R-MID）以及联合T-MID/R-MID的理论基础

提出的方法

• 提出一种认知无线电模型，其中次用户在主用户接收端的干扰功率约束下与主无线电网络共享频谱
• 分析三种多用户认知无线电信道模型——MAC、BC和PAC，分别支持不同形式的MID：T-MID、R-MID和联合T-MID/R-MID
• 通过基于次用户自身信道质量及其对主用户接收端干扰影响的联合选择，推导长期吞吐量增益
• 提出一种联合优化框架，利用次用户发射端的瞬时信道状态信息，在保障主用户前提下最大化频谱效率
• 采用随机几何与衰落信道建模方法，表征多个次用户之间干扰波动带来的分集增益
• 通过结合传统多用户分集与新识别的MID增益，建立可实现 sum rate 的理论边界

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将多用户分集的扩展超越传统用户选择，以利用认知无线电网络中的干扰动态？
• RQ2 由于次用户信道与主用户干扰约束之间的相互作用，认知无线电网络中出现了哪些新的多用户分集形式？
• RQ3 在多址认知无线电信道中，发射端干扰波动（T-MID）如何提升频谱效率？
• RQ4 在广播认知无线电信道中，接收端干扰波动（R-MID）如何贡献于性能增益？
• RQ5 在并行接入认知无线电信道中，联合发射与接收干扰分集（T-MID/R-MID）是否能带来乘法增益？

主要发现

• 多用户干扰分集（MID）被识别为认知无线电网络中一种新型分集形式，源于不同次用户引起的干扰水平变化
• 在多址信道（MAC）中，T-MID通过选择对主用户接收端干扰最小且自身信道质量良好的次用户，显著提升频谱效率
• 在广播信道（BC）中，R-MID通过利用不同次用户导致的主用户接收端干扰水平变化，增强系统性能
• 在并行接入信道（PAC）中，联合T-MID与R-MID实现乘法分集增益，优于仅采用传统多用户分集
• 所提出的基于MID的用户选择策略在严格干扰约束下，相较于传统多用户分集可带来显著的额外吞吐量增益
• 理论分析证实，MID是认知无线电网络中一种基础且可利用的资源，可在不增加发射功率或带宽的前提下提升频谱效率