Traditionally, the frequency spectrum allocated for a specified purpose is licensed to users by government agencies and only the licensee has the right to access the licensed band. Therefore, licensees are protected from any interference all the time. However, as the frequency spectrum has been exhausted, regulatory constraints need to be loosened so that unlicensed (secondary) users may share a frequency band with its licensed (primary) owners as long as the interference that the secondary users produce is not harmful to the primary users. In cognitive radio networks, the secondary users can share the frequency spectrum of the licensed users in an opportunistic way. In spectrum-sharing, secondary users usually have to accomplish two conflicting objectives: the first objective is to maximize its channel capacity, and the second objective is to minimize the amount of interference received at the primary receiver.
In this thesis, we analyze the information theoretic capacity of the spectrum-sharing channel with multiple antennas. We propose a new metric called a capacity loss ratio for estimating the performance of primary and secondary users in spectrum-sharing. Based on the capacity loss ratio, we analyze the performance of spectrum-sharing schemes in single-input single-out (SISO), single-input multi-output (SIMO), multi-input single-output (MISO), and multi-input multi-output (MIMO) environments.
We propose a transmit maximal-ratio-combining with nulling (Tx-MRC-Nulling) scheme in a MISO spectrum-sharing environment to share the frequency spectrum more efficiently by exploiting the degrees of freedom in multiple transmit antennas. Furthermore, we propose a pre-whitening (PW) scheme used in a MIMO environment and the scheme can be used even when a primary receiver does not have the interference channel information. We mathematically prove that the pre-whitening scheme outperforms the conventional minimal mean-square error (MMSE) based spectrum-sharing scheme.
전통적으로 주파스 스펙트럼은 특정한 사용자에게 라이센스를 주고 사용하도록 하였다. 따라서 그 사용자는 간섭을 받지 않고 통신을 할 수 있었다. 하지만 주파수 스펙트럼이 고갈되어감에 따라서 라이센스를 받지 않은 2차 사용자가 라이센스를 받은 1차 사용자의 주파수 자원을 사용하는 규제 완화들이 이루어지고 있다. 이러한 자원 공유에 있어서 1차 사용자의 QoS를 보장해 주는 것이 중요하다. 이러한 인지 무선망에서 2차 사용자는 1차 사용자의 주파수 스펙트럼을 기회적인 방법으로 공유할 수 있다. 주파수 스펙트럼 공유에서 2차 사용자는 두 가지 상충되는 목적을 달성해야 한다. 첫 째는 2차 사용자의 채널 용량을 최대화 시켜야 하는 것이고, 둘 째는 1차 사용자에게 인가되는 간섭을 최소화 해야 한다는 것이다.
본 학위논문에서는 우리는 다중 안테나를 사용하는 주파수 공유의 이론적인 용량을 분석한다. 우리는 송량 손실률이라는 새로운 평가 지표를 제안하고 이 지표를 사용하여 1차, 2차 사용자의 성능을 공정하게 분석한다.
우리는 다중 입력 단일 출력 (MISO) 상황에서 transmit maximal-ratio-combining with nulling (Tx-MRC-Nulling)방식을 제안하여 주파수 자원을 더욱 효율적으로 사용함으로써 채널 용량을 최대화 한다. 또한, 우리는 다중 입력 다중 출력 상황에서 전백색화 방식을 제안한다. 제안된 전백색화 방식을 통해서 1차 수신자가 2차 송신자로부터 오는 간섭 존재 여부를 알지 못해도 효율적으로 주파수를 공유할 수 있다. 전백색화 방식과 기존의 minimal mean-square error (MMSE)기반의 방식을 비교해 보고 전백색화 방식의 성능이 우수함을 보인다.
