인지 라디오 시스템에서의 동적 다중 접속과 자원 할당 기술 연구

Abstract

Recently, in wireless communications, new services and applications have been emerged and the demand for radio spectrum resources has significantly increased. To improve utilization of scarce radio spectrum resources, cognitive radio (CR) has drawn great attention as a promising technique. The CR is an agile and intelligent radio system which is aware of ambient radio environments and adapts its radio operating behavior. Hence, the CR system naturally becomes a key technology which enables to realize dynamic spectrum access (DSA). The DSA network allows more flexible use of spectrum resources compared to traditional wireless communications through various access models such as hierarchical access and property-rights models. This thesis discusses dynamic access of multiple users and radio resource allocation in CR systems based on the various access models of DSA. Opportunistic spectrum access (OSA) which is a way of hierarchical access model scans temporarily unused licensed bands owned by incumbent (primary) system and allows unlicensed (secondary) system to access those bands. Thus, perfect sensing of unused bands can provide significantly improved spectral efficiency to the secondary system without interference to the primary system. On the other hand, imperfect spectrum sensing causes losses on both primary and secondary systems, such as harmful interferences or low utilization of vacant bands, depending on an access policy of the secondary system. Since those losses have a trade-off relationship, it is hard to decide proper sensing and access policies. To deal with this problem, we propose a joint algorithm for sensing adaptation and opportunistic resource allocation. The joint optimization problem minimizes the total expected cost of the losses and utilities which are likely generated for the secondary system. To protect the primary system and ensure the secondary system's utility, we employ an average interference threshold constraint and a quality-of-service (QoS) constraint for the secondary system. Two types of average secondary utilities are considered for the QoS constraint

one is averaged over only transmitted frames and the other is averaged over total frames. Based on energy detection, we derive feasible ranges of sensing threshold to satisfy the constraints. Simulation results show that the proposed scheme dynamically adapts sensing threshold depending on the network environment and minimizes the total cost of the secondary system. In addition, we investigate the performance of the proposed scheme with the two types of the secondary utility.Spectrum leasing belongs to the property-rights model and enables primary users who have the usage rights of licensed bands to trade some parts of owned bands with secondary users through inter-operation between primary and secondary users. This thesis focuses on cooperation-based spectrum leasing model which allows secondary users to access licensed bands as a reward for providing cooperation to primary users. Also, we consider an auction mechanism to efficiently lease the licensed bands to the competing secondary users and guarantee benefits of primary users from spectrum leasing. Based on a second-price auction mechanism, the primary users independently perform auctions to determine winners who are then granted access to leased bands and prices for those bands. Before auctions, each secondary user chooses bands which they want to lease and generates bids for those bands with a limited transmit power budget. To this end, we determine feasibility conditions for band selection and power allocation and further propose a low complexity bidding algorithm. For the paying price among winners after auctions, a multi-objective optimization problem is formulated, and paying schemes are proposed, which prioritize the objectives with pre-defined weighting rules. Simulation results show that the primary users achieve higher benefits from cooperation as fewer winners are chosen and the benefits grow as more secondary users bid. In contrast, the secondary users achieve significantly increased utility as more winners are chosen although the utility per transmission is reduced. Additionally, power consumptions by secondary users for cooperative transmission are compared among the proposed paying schemes.

최근 무선 통신에서는 새로운 형태의 서비스들이 다수 출현하고 있으며, 그로 인한 라디오 주파수 자원에 대한 요구도 점점 심각히 증가하고 있다. 인지 라디오(cognitive radio)는 라디오 주파수 자원의 효율적인 운용을 통해 주파수 부족 문제를 해결하기 위한 기술로서 각광받고 있다. 인지 라디오는 적응형 및 지능형 라디오 시스템의 일종으로 주변의 전파 환경을 인지하고 분석하여, 분석 결과에 따라 그 자신의 운영 방식을 결정한다. 따라서 인지 라디오 시스템은 동적 주파수 접속(dynamic spectrum access: DSA)를 실현하기 위한 주요 기반 기술이다. DSA 네트워크는 기존의 전통적인 무선 통신 방식들에 비해 계층적 접속(hierarchical access) 모델, 재산권(property-right) 모델 등과 같은 다양한 접속 정책을 통해 주파수 자원의 좀 더 유연한 이용을 가능하게 한다. 본 논문은 이와 같은 다양한 DSA 모델을 기반으로 하는 인지 라디오 시스템에서의 다중 사용자들의 동적 접속과 그들 간의 자원 할당에 대해 논의한다.기회적 주파수 접속(opportunistic spectrum access)는 계층적 접속 모델의 한 방식으로 일시적으로 비사용 중인 면허대역을 검색하여 이를 비면허 시스템(2차 시스템)이 이용할 수 있도록 하는 방식이다. 따라서 유휴대역에 대한 정확한 검출이 요구되며, 이를 통해 기존 면허 시스템(1차 시스템)에게 간섭을 주지 않음과 동시에 2차 시스템에 크게 향상된 주파수 효율을 제공할 수 있다. 반면, 부정확한 대역 검출을 1차와 2차 시스템 모두에게 간섭 또는 유휴 대역에 대한 낮은 활용도 등의 피해를 입히게 되며, 이는 2차 시스템의 유휴대역 접속 정책에 따라 어떤 피해가 생길 지가 결정된다. 이러한 피해들은 서로 상충 관계에 있으므로 적절한 검출과 접속 정책을 결정하는 것은 매우 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 논문은 적응형 주파수 검출 및 기회적 자원 할당에 대한 합동 알고리즘을 제안한다. 제안된 최적화는 2차 시스템에 대한 발생 가능한 피해와 이익에 대한 전체적인 기대 비용을 최소화 한다. 이때 1차 시스템을 간섭으로부터 보호하고 2차 시스템의 이익을 보장하기 위해서, 평균 간섭 기준 조건과 서비스 품질(quality-of-service: QoS) 조건을 도입한다. QoS 조건으로는 두 종류의 평균 이익률이 고려되었는데, 하나는 오직 2차 시스템이 데이터를 전송한 프레임에 대한 평균 이익률과 다른 하나는 전송 유무에 상관없이 전체 프레임에 대한 평균 이익률이다. 또한 에너지 검출 기법에 의거하여 앞서 거론된 조건들을 만족시킬 수 있는 검출 기준들의 가능 영역을 유도하였다. 시뮬레이션 결과는 제안된 기술이 네트워크 환경에 따라 검출 기준을 동적으로 결정하고 2차 시스템의 전체 비용을 최소화 함을 보인다. 또한, 도입된 두 종류의 이익률에 대한 제안된 기술의 성능도 함께 제공한다. 재산권 모델에 속하는 주파수 임대(spectrum leasing) 모델은 1차 및 2차 사용자 간의 거래를 통하여 면허 대역에 대한 사용권리를 가지는 1차 사용자들로 하여금 소유한 대역의 일부분을 2차 사용자에게 임대 할 수 있도록 하는 방식이다. 본 논문은 특히 2차 사용자가 면허 대역에 접속 할 수 있도록 하는 대가로 1차 사용자에게 협업을 제공하는 협업 기반 주파수 임대 모델에 초점을 맞춘다. 또한, 면허 대역을 서로 원하는 2차 사용자들에게 효율적인 대역 분배를 하고 주파수 임대를 통해 1차 사용자의 이익을 보장하기 위해 경매 기법을 고려한다. 무선 통신 환경에서 주로 고려되는 차점 가격 경매 기법을 통해, 1차 사용자는 각기 독립적으로 경매를 시행하여 임대 대역을 사용할 낙찰자와 임대 대역에 대한 낙찰 가격을 결정한다. 각 2차 사용자들은 경매가 이루어지기 전에 자신이 임대하고자 하는 대역을 정하여 자신의 제한적인 전력 예산 안에서 입찰에 참여한다. 이를 구현하기 위해, 대역 선택과 전력 할당을 위한 가능 조건들을 밝혀내고, 더 나아가 낮은 복잡도를 가지는 입찰 알고리즘을 제안한다. 경매 이후 낙찰 받은 사용자들 간의 낙찰 가격 지불을 위해서, 다중 목적 최적화 문제를 설계하고 기 정의된 가중치 규칙에 따른 지불 기법들을 제안한다. 시뮬레이션 결과는 1차 사용자가 적은 수의 낙찰자를 선택할수록 높은 이득을 얻으며, 그 이득은 입찰자가 많을수록 증가함을 보인다. 그와 반대로, 2차 사용자들은 낙찰자가 많을수록 전송당 이득은 줄어들지만 전체적으로는 크게 이득이 증가한다. 추가적으로, 2차 사용자의 1차 사용자에 대한 협업 시 제안된 지불 기법들 간의 전력 소모량에 대해 비교한다.