In modern wireless communication systems, the number of wireless users is steadily increasing, resulting in a necessary demand for more available radio spectrum. Cognitive Radio (CR) is an innovative solution toward the efficient use of spectrum, by using the same spectrum from Secondary User (SU) simultaneously with Primary User (PU) or exploiting the spectrum holes, in underlay/ overlay/ interweave paradigms.
In all the cases, important consideration for performance enhancement of secondary user network, is to protect PU`s QoS. In this regard all resource management problems and solutions pertaining to normal wireless communications becomes more complicated. In this thesis two of the important link layer issues, i.e. power control in underlay CR paradigm and cooperate sensing in interweave paradigm are addressed, while considering a regional approach, which generally increases performance than conventional methods, and reduces complexity (and hence cost) than recent techniques/ algorithms.
For the case of power control, we have evaluated number of regions around PU basestation (BS), differentiated by signal to noise ratio (SNR) of PU, for which we can have appropriate outage gain. This work investigated what and up to what extent we can have advantage, if we have more and more divided regions. The results obtained through extensive simulation for different PU rate constraints (both uplink and downlink), prove that we have bigger advantage of three regions over two regions, while using binary power allocation (BPA) for determining thresholds for different regions, especially when grey region is placed near the edge of the cell. But further increasing the regions might not necessarily enhance the performance further, but definitely increases complexity. We have shown performance in terms of more active SUs and outage gain for cell edge SUs in a typical environment, for both ad-hoc communications and through a CR-BS.
For second part of the thesis, we have used a regional approach in cooperate sensing environment, with different constraints for two SNR regions, named as high and low SNR regions. We have shown that by appropriate selection of regional boundaries, we can efficiently improve the throughput performance of secondary network, while preserving the primary network. Also a detailed analysis has been performed for single constraint models.
The main focus/ motivation of the thesis is to come up with simplified solutions for power control and cooperate sensing, which may be very important in the future, towards the fast growing implementation of CR environment.
본 논문에서는, SNR 영역이 CR 네트워크 패러다임에 미치는 영향에 대해 연구하였다. CR 네트워크에서는 primary user의 SNR은 primary user의 기지국으로 부터 멀어질 때 변하게 된다. 이 때, primary user의 QoS 요구사항을 만족시키기 위한 다양한 secondary user의 제약식이 존재하게 된다. 이러한 환경 하에서, 적응적인 power control, spectrum sensing 알고리즘에 관한 다양한 방법론들이 제안되어져왔다. 하지만, 기존의 제안된 알고리즘들의 높은 복잡도와 비용라는 단점을 지니고 있다.
논문의 첫 번째 부분에서는, underlay CR 네트워크을 위한 power control알고리즘을 제안하였다. 제안된 알고리즘은 binary power allocation의 확장된 형태로서, primary user 기지국인근의 다양한 SNR 영역을 고려하고 있다. 대부분의 기존 연구들에서는 두 개의 SNR 영역 (high SNR, low SNR)을 고려하였다. 하지만, 단지 두개의 SNR 영역과 두 개의 임계치 값만 고려한 경우에는 secondary user에게 불필요한 outage 감소를 초래할 수 있다. 한편, 임계치를 구하기 위해서 적응적인(adpative) 방식을 사용하거나 modified water filling과 같은 알고리즘을 사용한다면 복잡도가 증가할 것이다. 본 연구에서는, primary user인근의 SNR 영역 수에 따른 성능을 평가하였다. 분석결과 3개의 SNR 영역과 3개의 임계치가 outage측면에서 좋은 성능을 보여주는 것을 알 수 있었다. 3개 이상의 영역을 설정하는 것은 outage측면에서 더 좋은 성능 향상을 보이지 않았고 복잡도만 증가시키는 결과를 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 CR기술의 실제 환경에 적용시, 도움을 줄 수 있을것이라 기대하고 있다.
두 번째는, CR 시스템의 또 다른 측면에 관한 연구이다. 예를 들면, cooperate sensing. pd 와 pf 제약 하에서 성능을 최대화하는 문제를 만들었다. 하나 혹은 다수의 제약식, 하나 혹은 적응적인 임계치, overlay/interweave CR 네트워크등 다양한 시스템 환경을 고려한 다양한 sensing 연구가 있어왔다. 본 연구에서는 두 개의 SNR 영역과 두 개의 임계치를 고려한 간단한 접근 방식을 제안하였다. low SNR 영역에서는 primary user의 존재를 확인하는 것이 중요한 문제이기 때문에 pd를 제약식에서 고려하였다. high SNR영역에서는 false alarm이 증가하기 때문에 (본 논문의 자세한 분석 참조) pf 를 제약식에 고려하였다. 두 개의 다른 제약식은 한 개의 제약식을 고려한 경우와 비교해서 더 좋은 성능 향상을 가져다 준다. 본 문제의 두 개의 제약식과, 적응적인 임계치를 모두 고려하는 것이 최적의 답이지만, 이는 실제 환경의 적용 시 비용의 증가와 복잡도의 증가를 초래할 것이다.
