Cognitive radio (CR) is considered as one of promising methods to alleviate the spectrum scarcity caused by the increasing demand for wireless services and the existing exclusive spectrum allocation policy. The CR enables unlicensed users (secondary users) to access the under-utilized spectrum which is assigned to licensed users (primary users) while guaranteeing quality-of-service (QoS) requirements of primary users. However, it is hard for the secondary user to get a certain level of performance because the performance of secondary users’ communications are severely degraded by the QoS constraints imposed on the secondary users. Recently, diversity techniques in CR systems have been actively investigated that compensate the performance degradations of the secondary network by mitigating or exploiting the fluctuation of fading channels. This dissertation presents three different forms of diversity gain in cognitive radio systems: the diversity gain originated from relay, multiuser, and access mode switching.
First, we consider the cooperative diversity gain in underlay CR systems where secondary users access the spectrum licensed to primary users under interference power constraint at primary receivers. Our analysis shows that the cooperative diversity gain has different characteristics from that in non-CR systems since the transmit power of a secondary transmitter is limited by the interference power constraint. If a fixed interference power constraint is imposed, the cooperative diversity gain is lost regardless of the number of relays even if peak transmit power grows to infinity. We analyze the critical value of peak transmit power beyond which increasing peak transmit power does not help in improving the outage probability. However, if a proportional interference power constraint is imposed, a full diversity gain is shown to be attained even without instantaneous interference channel information at the secondary transmitters.
Second, we discuss the multiuser diversity gain in overlay CR systems where the secondary transmitters opportunistically utilize the spectrum licensed to primary users only when it is not occupied by the primary users. Contrary to underlay CR, secondary user’s transmission in overlay CR depends on primary users’ traffics and reliability of spectrum sensing. As the traffic load of the primary transmitter increases, the probability that the primary network occupies the spectrum increases, and correspondingly opportunity for the secondary users to access the spectrum decreases. Inaccuracy of spectrum sensing also makes the secondary users miss the opportunity of accessing the spectrum or interfere with the primary users. We derive closed-form expressions of asymptotic system throughput which agree well with the exact system throughputs even when the number of secondary users are not large. The asymptotic throughput results provide the information about the impact of traffic load and sensing reliability on the secondary throughput. The throughput scaling laws of the secondary network are different according to whether peak transmit power constraint of the secondary users is finite or infinite. The derived scaling law is interestingly similar to that in underlay CR systems even though the spectrum utilization mechanism of the underlay CR systems is totally different from the CR model considered in this chapter. We also extend our results to non-i.i.d. channels by employing fairness scheduling and show that fairness scheduling in non-i.i.d. channels has the same asymptotic throughput characteristics as the best user selection in i.i.d. channels.
Third, we consider a hybrid CR system where a secondary user probabilistically changes its spectrum access mode for secondary user’s throughput maximization while guaranteeing primary user’s target throughput. Basically, the hybrid CR works like overlay CR. The secondary user constantly monitors activity of the primary user and transmits data with maximum transmit power if transmission of the primary user is not detected. However, the only difference from overlay CR is that even when transmission of the primary user is detected, the secondary users are able to access the spectrum with regulated low transmit power with switching rate ε. We show that there is a trade-off of increasing ε due to recursive interactions between primary and secondary users, and optimizing ε is crucial to balance the gain and loss of secondary user’s underlay spectrum access. The proposed hybrid CR is shown to achieve higher throughput and be more robust to detection errors than conventional CR systems.
인지 라디오(cognitive radio, CR)은 증가하는 무선 서비스의 수요와 기존의 배타적 주파수 할당 방식으로 발생한 주파수 부족 현상을 해결하기 위한 유망한 방법 중의 하나로 여겨지고 있다. 인지 라디오는 충분히 이용되고 있지 않은 허가 이용자(1차 이용자)의 주파수 대역에 무허가 이용자(2차 이용자)가 1차 이용자의 서비스 질(QoS)를 악화 시키지 않는 범위에서 접속하게 한다. 그러나 2차 이용자는 1차 이용자의 QoS를 보장시켜 주어야하는 열악한 환경에 통신을 해야하기 때문에 만족할 만한 품질얻기엔 어려움이 있다. 최근 이와 같은 1차 이용자 QoS 보장에 따른 2차 이용자의 통신 품질 손실을 보상하기 위해 CR시스템에서의 다이버시티 기술에 대해 많은 연구가 있었다. 본 논문에서는 인지 라디오 시스템에서 세가지 다이버시티 기술의 활용 방법 및 그 이득에 대해 살펴 보도록 한다.
처음으로, 1차 이용자에게 넘어가는 간섭의 크기가 간섭 제약을 초과하지 않도록 2차 이용자가 낮은 전송전력으로 통신을 수행하는 underlay 인지 라디오 시스템에서 협력 다이버시티에 대해 살펴보았다. 분석 결과, 2차 이용자의 전송전력이 간섭 제약으로 제약되어 인지 라디오 환경에서 다이버시티 이득은 기존 일반적인 다이버시티 이득과는 다른 특성을 보임을 확인할 수 있었다. 만약 간섭 제약이 고정된 값을 갖는다면, 2 차이용자는 협력하는 중계기 개수와는 상관없이 모든 다이버시티 오더(diversity order)를 잃게됨을 보이고 불능확률(outage probability)이 한계값을 갖게하는 전송전력 경계값을 점근적 분석방법을 통해 얻을 수 있었다. 반면, 간섭 제약이 전송전력에 비례하는 값을 갖는다면, 2차 이용자는 기존 일반적인 다이버시티 이득과 같이 중계기 개수에 비례하는 다이버시티 오더를 획득 할 수 있음을 보였다.
두번째로, 1차 이용자의 주파수 사용을 계속 확인하면서 주파수가 1차 이용자에 의해 이용되지 않을 동안만 2차 이용자가 사용하게 되는 overlay 인지 라디오 시스템에서 다중 이용자 다이버시티 이득에 대해 살펴보았다. overlay 인지 라디오의 경우, underlay 인지 라디오와는 달리 2차 이용자의 전송에 1차 이용자의 트래픽 부하와 주파수 센싱의 신뢰도가 영향을 미치게 된다. 1차 이용자의 트래픽 부하가 커질 수록 1차 이용자가 주파수를 이용할 확률이 높아지게되고 이에 따라 2차 이용자가 주파수를 이용할 기회는 줄어들게 되는 영향이 있다. 또한, 2차 이용자의 주파수 센싱의 정확도가 떨어질 수록 주파수가 비어있음에도 접속할 기회를 놓지게 되는 확률이나 1차 이용자가 사용하고 있음에도 인지하지 못하고 접속하여 간섭을 주게되는 확률이 높아지게 된다. 우리는 2차 이용자의 점근적 전송량(throughput)의 closed-form 표현을 유도하고 비록 이용자의 숫자가 아주 크지 않더라도 점근적 결과가 실제 전송량과 근접하는 것을 확인 함으로써, 트래픽 부하 및 센싱의 정확도가 2차 이용자의 전송량에 미치는 영향을 확인 할 수 있었다. 그 밖에 이용자 숫자에 따른 전송량 scaling law를 살펴본 결과 최대 전송전력 값이 무한한 값인지 유한한 값인지에 따라 달라지고 흥미롭게도 이 결과는 주파수 접속방식이 전혀 다른 형태를 띠는 underlay CR의 전송량과 같은 양식을 보임을 확인할 수 있었다.
마지막으로, 2차 이용자가 상황에따라 overlay CR 및 underlay CR 방식으로 변경 주파수에 접속는 hybrid CR에서의 접속 방식 다이버시티(access mode diversity) 이득에 대해 살펴보았다. 기본적으로 hybrid CR은 overlay CR처럼 동작한다. 2차 이용자는 지속적으로 1차 이용자의 활동을 감시하며, 1차 이용자의 활동이 감지되지 않았을 않았을 때 자신의 최대 전송 전력으로 통신한다. 기존 overlay CR과의 차이점은 비록 1차 이용자의 활동이 감지 되더라도 ε의 확률로 underlay CR과 같이 낮은 전송전력으로 통신을 한다는 점이다. 접속 방식 변경 확률 ε을 결정함에 있어 1차 이용자와 2차 이용자 사이의 상호작용 때문에 tradeoff가 있어 적절한 ε값을 결정하는 것이 1차 이용자의 QoS를 만족시키며 2차 이용자의 전송량을 최대화하기 위해 중요하다. 본 연구에서는 최적의 ε 값과 그에 따른 2차 이용자의 최대 전송량을 closed-form으로 유도 하고 이 결과를 통해 hybrid CR이 기존 CR기법들에 비해 높은 전송량을 얻을 수 있으며, overly CR과 비교하였을 때 센싱 에러로 인한 성능저하에 더 둔감한 장점을 가짐을 확인할수 있었다.
