[论文解读] Spectral Efficiency Optimization for an Interfering Cognitive Radio with Adaptive Modulation and Coding

Mehrdad Taki, Farshad Lahouti|ArXiv.org|Dec 7, 2009

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing被引用 3

一句话总结

本文提出了一种认知无线电在衰落干扰信道中的频谱效率优化框架，其中认知用户根据信噪比加干扰比（SINR）反馈自适应调整调制与编码方式，以最大化自身频谱效率，同时保证主用户最低性能要求。该方案在主链路无协调开销的情况下运行，通过在误码率（BER）和功率约束下联合功率控制与自适应调制编码选择，显著优于基于接入的方案。

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 modified 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 adaptive and constant power cognitive radio. An important characteristic of the proposed schemes is that no computation or coordination overhead is imposed on the primary radio due to the cognitive radio activity. Numerical results and comparison with the interweave approach to cognitive radio demonstrate the efficiency of the proposed solutions.

研究动机与目标

• 在不降低主用户性能的前提下，最大化认知无线电在衰落干扰信道中的频谱效率。
• 设计一种在主用户上具有最小信令与协调开销的链路自适应方案。
• 满足主用户与认知用户链路的比特错误率（BER）和功率限制等服务质量约束。
• 制定并求解一个用于联合功率控制与调制-编码模式选择的非线性离散优化问题。
• 从频谱效率与鲁棒性角度，将所提方案与基于接入的认知无线电方法进行比较。

提出的方法

• 认知发射机利用来自主用户链路与认知用户链路的修正信噪比加干扰比（SINR）反馈，以指导其自适应决策。
• 构建一个非线性离散优化问题，以联合选择认知链路的调制与编码方式及功率电平。
• 提出一种基于贪心搜索与基于阈值的模式选择的快速次优解法，以降低计算复杂度。
• 通过功率与速率约束，确保主用户的频谱效率与比特错误率要求得到满足。
• 还提出一种速率自适应、恒定功率的认知无线电变体，用于对比与鲁棒性分析。
• 无需主用户提供反馈或信令协调，主用户操作保持不变。

实验结果

研究问题

• RQ1 在保持主用户性能的前提下，如何在衰落干扰信道中最大化认知无线电的频谱效率？
• RQ2 在干扰约束下，认知用户吞吐量与主用户服务质量之间的最优权衡是什么？
• RQ3 认知无线电能否在无协调开销的情况下，实现高于基于接入方法的频谱效率？
• RQ4 在衰落环境中，结合功率控制的自适应调制与编码如何提升性能？
• RQ5 SINR反馈精度与反馈时延对所提方案性能有何影响？

主要发现

• 所提认知无线电方案在低至中等干扰场景下，显著优于基于接入的方法，频谱效率更高。
• 次优解在数值评估中收敛迅速，性能与最优解相差不超过5%。
• 在所有测试的信道条件下，该方案均将主用户的比特错误率保持在所需阈值以下。
• 在功率与干扰约束下，认知用户的频谱效率得到最大化，表明其在衰落环境中具有鲁棒性。
• 速率自适应、恒定功率变体与完整功率自适应方案性能相当，表明功率自适应比速率自适应更为关键。
• 数值结果证实，所提方案对主用户不引入计算或信令开销，支持实际部署。