Cognitive Radio (CR) has recently received a great attention due to the ability to improve the spectrum utilization by facilitating the realization of the dynamic spectrum management policy. It can be implemented by allowing the secondary user (SU) in the CR network to opportunistically access the licensed spectrum of the primary user (PU). Based on the approach to the opportunistic utilization, CR can be categorized into two types: spectrum overlay model and underlay model. For the overlay one, the SU identifies the idle spectrum via spectrum sensing and opportunistically utilizes the available spectrum. For the underlay one, the SU coexists with the PU sharing the primary spectrum to the extent not to deteriorate the primary communication. The underlay model can provide the SUs with more access opportunities than the overlay model but involves the risk that the priority of the PU is violated. Therefore, it is necessary to control the transmit power of the SU so that the interference temperature at the primary receiver caused by all SUs is less than or equal to the interference temperature limit (ITL) of the PU. In this thesis, we focused on the spectrum underlay in CR networks.
To apply the inherent transmit power control which can maximize the number of users satisfying the quality of service (QoS) requirement by keeping the transmit power of each user at the minimum level required for reliable communication to spectrum underlay CR networks, QoS requirement of the PU is to be considered additionally. In such a CR network, the role of transmit power control is to maximize the number of SUs satisfying the QoS requirements of the SU and the PU simultaneously by controlling the transmit power of each SU.
There are two approaches in the transmit power control for spectrum underlay in CR networks: centralized and distributed approach. For the centralized one, a central manager controls the transmit power of all SUs within its coverage using all information required for managing the network. However, finding an optimal set which maximizes the number of SUs satisfying both QoS requirements is NP-complete problem, and the optimal solution is obtained by exhaustive search such as brute force algorithm (BFA). For the distributed one, each SU controls own transmit power by itself using only local information. Since the interference temperature is caused by all secondary communications, however, it is difficult to consider in distributed manner.
In this thesis, we propose transmit power control algorithms in each approach. For the centralized one, we propose joint power and admission control (JPAC) for CR networks which performs near-optimal without exhaustive search. The admission control removing SUs one-by-one is performed jointly with the power control recursively until all admitted SUs satisfy both QoS requirements. For the distributed one, we propose autonomous distributed power control for CR networks considering the QoS requirements of the PU and the SU simultaneously. Since the transmit power of each SU is constrained so that the interference temperature at the primary receiver does not exceed the ITL, the QoS requirement of the PU is always guaranteed.
최근 다양한 무선 서비스의 출현으로 인해 현재 스펙트럼 관리 정책 하에서의 스펙트럼 사용 효율성에 대한 문제가 대두되고 있다. 이러한 상황에서, 인지무선 기술이 스펙트럼 사용의 효율성을 높이기 위한 미래의 동적인 스펙트럼 관리 방식의 실현을 앞당길 수 있는 기술로서 관심을 받고 있다. 이것은 2차 사용자가 주 사용자에게 면허권이 있는 대역을 기회적으로 사용하는 것을 허용한다. 인지무선은 기회적인 접근 방식에 따라 크게 오버레이 방식과 언더레이 방식으로 나뉜다. 먼저, 오버레이 방식은 2차 사용자가 스펙트럼 센싱을 통해 유휴 대역을 식별하고, 그 대역을 기회적으로 사용하는 방식이다. 반면, 언더레이 방식은 주 사용자가 사용하고 있더라도, 주 사용자의 서비스의 질을 저하시키지 않는 범위 내에서 주 사용자의 스펙트럼을 공유해서 2차 사용자가 주 사용자와 공존하는 방식이다. 이러한 언더레이 방식은 오버레이 방식에 비해 2차 사용자의 기회적인 접근 기회를 늘릴 수 있지만, 주 사용자의 우선권이 위배될 우려가 있다. 따라서, 모든 2차 사용자들의 통신으로 인해 주 사용자가 받는 간섭 온도가 주 사용자의 간섭 온도 한계를 넘지 않도록 2차 사용자들의 송신전력을 제어해야 한다.
사용자의 송신전력을 신뢰성 있는 통신을 위한 최소한의 값으로 유지함으로써 에너지 효율을 최대로 하고 요구사항을 만족시키는 사용자의 수를 최대로 하는 본래의 송신전력 제어 방식을 언더레이 인지무선 환경에 적용시키려면, 해당 대역의 면허권자인 주 사용자 요구사항이 추가적으로 고려되어야 한다. 이러한 인지무선 환경에서 송신전력 제어의 목적은 2차 사용자들의 송신전력을 제어함으로써 주 사용자와 2차 사용자의 요구사항을 동시에 만족시키는 2차 사용자의 수를 최대로 하는 것이다.
인지무선 환경에서 송신전력 제어는 크게 중앙 집중형 방식과 분산적인 방식으로 나뉜다. 중앙 집중형 방식은 중앙의 관리자가 필요한 모든 정보를 이용해서 자신이 담당하는 모든 2차 사용자들의 송신전력을 제어하는 것이다. 하지만 두 가지 요구사항을 모두 만족시키는 2차 사용자의 수를 최대로 하는 문제는 비결정 완전 문제이므로, 모든 경우의 수를 고려해서 소모적인 노력을 통해 문제를 푸는 억지 기법을 사용해야 한다. 반면, 분산적인 방식은 각각의 2차 사용자가 국부적인 정보만을 이용해서 자신의 송신전력을 스스로 제어하는 것이다. 하지만 각각의 2차 사용자가 국부적인 정보만으로는 모든 2차 사용자들의 송신전력에 의해 주 사용자가 받는 간섭 온도를 알 수 없으므로, 이러한 분산적인 방식은 주 사용자의 우선권을 보장하기 어렵다.
본 논문에서는, 중앙 집중형 방식과 분산적인 방식에서 각각의 송신전력 제어 방식을 제안한다. 중앙 집중형 방식에서는 송신전력 제어와 승인 제어를 공동으로 함으로써 소모적인 노력 없이 억지 기법에 가까운 성능을 가지는 방식을 제안한다. 즉, 인지무선 환경에서 2차 사용자를 한명씩 제거하는 승인 제어가 송신전력 제어와 공동으로 남아있는 모든 2차 사용자들이 두 가지 요구사항을 모두 만족시킬때까지 반복적으로 행해진다. 분산적인 방식에서는 인지무선 환경에서 주 사용자의 요구사항을 자동적으로 고려할 수 있는 분산적인 송신전력 제어 방식을 제안한다. 모든 2차 사용자들에 의해 주 사용자가 받는 간섭에 대한 제한을 각각의 2차 사용자의 송신전력에 대한 제한으로 바꿈으로써, 분산적인 방식에서 쉽게 주 사용자의 통신을 보호할 수 있다. 모든 2차 사용자의 통신으로 인한 주 사용자의 간섭 온도가 간섭온도 한계를 넘지 않도록 각각의 2차 사용자의 송신전력이 제한되므로, 주 사용자의 요구사항이 언제나 보장된다.
