We propose transceiver algorithms in cognitive radio networks where cognitive users are equipped with multiple antennas and study applications of the work to the physical-layer security and smart grid networks. First, we study the design of multi-antenna secondary networks to achieve two objectives such as preventing interference to primary receivers and maximizing an achievable rate of the secondary network. Three different CSI scenarios depending upon the amount of CSI are investigated: i) local CSI, ii) global CSI, and iii) local CSI with side information. In addition, two different transceiver design techniques, design with a ZF receiver and design with a MMSE receiver, are proposed. Next, we propose a novel implementation of spectrum leasing via cooperation technique in which secondary cooperation aims at improving the secrecy of the primary link. The optimal design of a secondary beamformer that maximizes the primary secrecy rate while guaranteeing a minimal achievable rate of the secondary network is studied. Moreover, an information theoretic perspective of the proposed technique which considers the case of performing joint decoding at receivers is studied. It is proved that the problem can be solved in a reduced domain irrespective of the number of antennas and optimal power allocation strategy depends on the intelligence of receivers. Finally, we propose a new protocol to construct cognitive smart grid networks for supporting monitoring of home appliances. In the proposed protocol, based on an estimated frame transmission timing at WLAN, home appliances transmit information on electricity usage to a smart meter simultaneously when an active WLAN device transmits a data frame. To manage the interference between the WLAN and the smart grid network, we also propose a new algorithm for power minimization.
무선 통신 기술이 급속히 발달하면서 주파수 자원에 대한 수요가 급속히 증가하고 있다. 하지만 주파수 자원은 단순한 상업적 목적 이외에도 군사적 목적 등의 다양한 목적으로 이미 대부분 그 사용 용도가 정해져 있는 상황이다. 인지라디오(Cognitive radio) 기술은 급증하는 주파수 자원 수요를 해결하기 위하여, 이미 그 사용 목적이 할당되어 있지만 비효율적으로 사용되는 주파수 자원을 지능적으로 재사용하기 위한 기술을 가리킨다. 인지라디오 네트워크에서는 이미 주파수를 할당받은 제 1 사용자(Primary users)에게 간섭을 주지 않으면서 주파수를 사용하고자 하는 제 2 사용자(Secondary users) 통신 프로토콜에 관한 연구가 주로 이루어 지고 있다. 다중안테나 인지라디오 네트워크는 송수신기의 다중안테나 신호처리 기술을 활용하여 제 1사용자 네트워크에 간섭을 주지 않으면서 제 2사용자가 주파수 자원을 공유하여 사용하는 기술을 의미한다. 본 학위 논문에서는 다중안테나 인지라디오 네트워크를 위한 송수신 설계 기법과, 이를 물리계층 보안 및 스마트그리드 네트워크에 응용하는 새로운 아이디어를 제안하였다.
본 학위 논문에서는 다중안테나 인지라디오 네트워크 동작을 위한 제 2 네트워크(Secondary networks)의 송수신기 설계 기법을 제안하였다. 기존 연구에서는 제 1 네트워크(Primary networks)에 미치는 간섭을 제어하기 위한 제 2 네트워크 송신기 설계에 관한 연구가 주로 소개되었다. 본 학위 논문에서는 기존 설계 기법에 더하여 제 2 네트워크가 제 1 네트워크로부터 받는 간섭을 제거하기 위한 송수신기 공동 설계(Joint transceiver design)에 관한 연구를 진행하였다. 제 2 네트워크의 송신기 및 수신기가 가지고 있는 무선 채널의 정보량에 따라 총 3가지 시나리오를 가정하였다. 첫째로, 송수신기가 자신이 직접 추정할 수 있는 채널에 관한 정보만 알고 있는 로컬 채널정보(Local CSI) 시나리오에서는 간섭 채널 행렬의 영공간(Null space)으로 향하는 투영 행렬(Projection matrix)을 활용하여 송수신기를 설계하였다. 둘째로, 송수신기가 네트워크 안의 모든 채널 정보를 알고 있다고 가정하는 글로벌 채널정보(Global CSI) 시나리오에서는 송수신기 공통의 행렬을 생성하여 이를 최적화 하기 위한 공동 송수신기 설계(Joint transceiver design) 기법을 제안하였다. 마지막으로, 로컬 채널정보와 부가 정보(Local CSI with side information) 시나리오에서는 로컬 채널정보를 기반으로 송수신기를 설계하되, 전 단계에서 활용된 설계 기법을 활용하여 반복적으로 송수신기 설계를 업데이트하는 반복알고리즘(Iterative algorithm)을 제안하였다. 반복알고리즘의 성능을 검증하기 위해 파워 반복 기법(Power iteration method)을 활용하여 반복알고리즘이 동작하지 않는 가능성에 대한 수학적 배경과 반복알고리즘 기법이 반복 횟수가 증가할수록 글로벌 채널정보에서 제안한 공동 송수신기 설계기법에 접근해간다는 사실을 증명하였다.
이어서 물리계층 보안을 증가시키기 위한 다중안테나 인지라디오 네트워크 시스템을 제안하였다. 제 1 네트워크의 신호를 도청하고자 하는 도청자가 존재하는 환경에서 제 2 사용자의 신호를 제어함으로써 도청자의 신호 수신을 방해하기 위한 제 2 네트워크 설계에 관한 연구를 진행하였다. 구체적으로는 제 2 네트워크의 송신기가 다중안테나를 가지고 있는 환경에서, 제 2 네트워크의 신호 전송을 위한 최소한의 데이터 전송량을 보장하는 동시에 제 1 네트워크의 보안 용량(Secrecy rate)을 최대화 시키기 위한 송신기 설계 기법을 연구하였다. 첫째로 도청자 및 제 1 수신기가 제 2 네트워크의 간섭을 추가적인 잡음으로 간주하는 간단한 시나리오에서의 최적 설계 기법을 수학적으로 유도하였다. 이어서 수신기들이 제 2 네트워크의 간섭의 존재를 인지하는 시나리오에서의 제 2 사용자 설계에 관한 연구를 진행하였다. 수신기들의 작동 범위에 따라 추가적인 3가지 시나리오에서 제 2 사용자가 가지고 있는 안테나 개수에 관계없이 설계가 가능한 일반적인 기법을 제안하였고, 도청자의 능력에 따라 보안을 최대화 시킬 수 있는 제 2 사용자의 전력 조정 방법에 대해서도 연구를 진행하였다. 실험을 통하여 제 1 네트워크의 신호를 도청하고자 하는 도청자가 존재하는 환경에서 다중안테나 인지라디오 네트워크를 활용함으로써, 제 1 네트워크의 보안 용량을 향상 시킬 수 있음을 확인하였다. 마지막으로 다중안테나 인지라디오 네트워크를 스마트그리드 네트워크와 결합하는 기법을 연구하였다. 스마트그리드 네트워크 안에서 가전들의 전기 사용량을 모니터링하기 위한 무선 통신 기법으로써, 기존에 연구되고 있는 지그비(ZigBee) 네트워크의 단점을 인지라디오 네트워크 기법을 통해 보완할 수 있는 연구를 진행하였다.
