In these days, the amount of mobile data traffic increases explosively. However, the increase of capacity in wireless technology is far beyond the increase of mobile data traffic. To solve this problem, the concept of cognitive radio (CR) technology has been
introduced. In the CR technology, the assignment of spectrum is not fixed but is rather flexible. The CR users which do not have right to the spectrum can opportunistically utilize the spectrum unless it interferes with the primary user (PU) which has the right to that band. Given that the utilization of current wireless system is low, the capacity of wireless system can be greatly increased by using CR technology. This CR technology can be used in either in cellular system or adhoc system. Given that the CR system
dynamically utilizes the vacant band, the spectrum sensing and allocation are the key technologies for CR system to work properly. Therefore, in this thesis, we focus on the spectrum sensing and allocation in the cellular CR system and the adhoc CR system.
First, we propose a new cooperative spectrum sensing scheme for a cellular CR system to improve the accuracy of sensing. Unlike other cooperative spectrum sensing schemes in previous works, our proposed scheme changes the number of sensing attempts that each CR user performs to optimize the spectrum sensing, so that the real CR environment can be reflected. Moreover, we have proposed a simultaneous spectrum sensing and data transmission scheme that allows spectrum to be sensed while data is transmitted using multiple-input and multiple-output technology without interfering with the sensing operation, so that the throughput degradation caused by the spectrum sensing can be mitigated. Through simulation, the performance of proposed spectrum sensing scheme has been shown to satisfy desired sensing performance.
Second, we compare the performance of two major spectrum information acquisition schemes in CR system, which are geo-location database based scheme and spectrum sensing based scheme. Although these two schemes are the major spectrum information acquisition schemes which are mainly considered in current researches on CR system, the comparison of two schemes has not been considered in previous works. In the
comparison, we propose a new channel model for PU activity in the CR environment which has three states, because the recent measurements show that two-state Markov Chain model which has been used previously is invalid. Based on the new channel model, we propose a new spectrum sensing scheme to reduce sensing overhead. In the analysis, we assume that the CR system can use both licensed bands and unlicensed bands at the same time and derive the optimal number of unlicensed bands to be used. Through performance analysis and numerical results, we show that our analysis is accurate and that the number of spectrum sensing can be reduced by using our proposed scheme so that the throughput of a CR system can be improved. We also show the answer to the question that which channel information acquisition scheme is better depends on the congitive system parameters.
Finally, we consider hybrid channel information acquisition scheme for adhoc CR system
which uses cooperative multi-band sensing to build spectrum database. Also we jointly consider spectrum information acquisition and allocation. In this chapter, we compare three schemes which are non-cooperation, spectrum sensing-cooperation and full-cooperation of spectrum sensing and band allocation, in which the spectrum information or the band can be cooperatively shared among CR users. Unlike previous cooperative sensing schemes which focus on cooperative sensing on single band, our scheme
focuses on cooperative sensing on multiple bands. Moreover, we also take into account the sensing overhead and the dynamics of the PU. Herein, we propose the method to build spectrum database which we refer as the spectrum pool which contains the information on vacant bands among cognitive users. This spectrum pool is maintained by sharing sensing results of sensing users on different bands. Given that the CR users have more information on the spectrum compared to the case when there is no channel information sharing, the number of sensing attempts to find vacant band can be reduced and the performance of CR system can be improved. Through simulation, we show that our analysis is well matched to simulation results. We also find that the throughput can be
improved by utilizing spectrum pool.
현재 이동 통신 시스템에서 모바일 데이터 트래픽의 양이 폭발적으로 증가하고 있다. 하지만 이에 반해 이동 통신 기술 발전에 의한 수율 증대는 이러한 모바일 데이터 트래픽 증가 추세를 따라잡지 못하고 있다. 이러한 이동 통신 시스템의 수율 문제를 해결하기 위해서 인지 라디오(CR) 기술이 개발 되었다. 인지 라디오 기술에서는 주파수 자원의 할당이 고정적인 것이 아니라 적응적으로 변화한다. 인지 라디오 기술에서는 스펙트럼에 대한 권리를 가지고 있지 않는 CR 사용자가 해당 스펙트럼에 대해서 권리를 가지고 있는 PU가 스펙트럼을 사용하고 있지 않을 때 적응적으로 스펙트럼을 사용한다. 현재 이동 통신 시스템의 활용도가 낮기 때문에 이러한 인지적 라디오 기술을 사용하여 시스템 수율을 향상시킬 수 있다. 이러한 인지 라디오 기술은 셀룰러 통신과 애드혹 통신 양쪽 모두에서 활용될 수 있다. 인지 라디오 기술에서 CR 사용자들이 적응적으로 주파수 자원을 바꾸어 가면서 사용하므로 사용할 수 있는 CR대역의 정보 확보와 할당이 인지 라디오 기술의 핵심이 된다고 할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 셀룰러CR 시스템과 애드혹 CR
시스템에서의 대역 정보 획득 방안과 할당에 대해서 초점을 맞추어 연구를 진행하였다.
첫째, 셀룰러 CR 시스템에서 센싱의 정확도를 증가시키기 위한 새로운 협력 센싱 방안을 제안하였다. 기존의 협력 센싱 방안들과 달리 제안된 협력 센싱 방안에서는 각 단말들이 수행하는 센싱 횟수를 다르게 함으로써 센싱 성능을 최적화 하였고 이러한 방식으로 기존의 방법들보다 더 현실적인 인지 라디오 환경에 부합하는 센싱기법을 제안하였다. 또한 MIMO 기술을 기반으로 하여 동시에 센싱 데이터 전송을 동시에 수행하는 방안을 제안하여 센싱에 의해서 저하될 수 있는 인지 라디오 시스템의 수율 저하를 줄였다. 시뮬레이션을 통해서 제안 방안이 요구되는 센싱 성능을 보임을 확인하였다.
둘째, 셀룰러 CR 시스템에서 주요한 대역 정보 획득 방법인 스펙트럼 데이타베이스 이용 방안과 센싱 방안의 성능을 비교 분석하였다. 이 두 방안은 현재 CR 연구에서 주로 고려되는 대역 정보 획득 방법이지만 이 두 방법에 대한 정밀한 비교 분석을 수행한 기존의 연구는 없는 실정이다. 비교과정에서 우리는 기존의 CR연구에서 사용되는 2 상태 마르코브 체인 기반의 프라이머리 사용자 모델이 아니라 3 상태를 갖는 마르코브 체인 기반의 프라이머리 사용자 모델을 제안하여 사용하였다. 이는 CR 대역의 측정 결과를 통해 기존에 사용되는 2 상태 마르코브 체인 기반의 프라이머리 사용자 모델이 실제 환경에 잘 맞지 않는 다는 것이 밝혀졌기 때문이다. 또한
새로운 채널 모델을 기반으로 센싱의 오버헤드를 줄일 수 있는 새로운 채널 센싱 방안을 제안하였다. 분석에서는 각 CR 시스템이 라이센스 대역과 CR 대역을 동시에 사용하는 환경에서 몇개의 CR 밴드를 사용할 때 CR 시스템의 수율이 최대가 되는지를 도출하였다. 분석과 시뮬레이션 결과를 통해 우리의 분석이 정확하고 또한 센싱 오버헤드도 감소하는 것을 보였다. 또한 어떠한 환경에서 어떤 대역 정보 획득 방법이 더 좋은가를 보였다.
셋째, CR 애드혹 환경에서 스펙트럼 센싱을 통해서 스펙트럼 데이타베이스를 구축하는 하이브리드 대역 정보 획득 방법을 고려하였다. 또한 대역 정보 획득 방법과 대역 할당 방안을 같이 고려하였다. Sensing based scheme, hybrid scheme 1과 hybrid scheme 2 방안을 고려하였는데 각 방안에서는 스펙트럼 정보 및 밴드 공유 유무가 달라진다. 기존의 협력 센싱에서 단일 대역에 대한 센싱만을 고려한 것과는 달리 본 협력 센싱 방안에서는 다중 대역 센싱을 고려하였다. 또한 센싱의 오버헤드와 프라이머리 사용자의 대역 사용을 고려하였다. 이와 더불어 스펙트럼 데이타 베이스인 spectrum pool을 구축하는 방안을 제시하였는데 이 spectrum pool에는 비어 있는 대역에 대한 정보가 들어있고 이는 CR 단말들의 센싱에 의해서 유지 된다. 이러한 spectrum pool의 사용을 통해서 각 단말들이 더 넓은 대역에 대한 정보를 얻을 수 있으므로 비어있는 대역을 찾기 위한 센싱 횟수를 줄일 수 있다. 시뮬레이션을 통해서 분석 결과와 시뮬레이션 결과가 잘 맞는 것을 확인하였고 spectrum pool의 사용을 통해서 수율이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
