Performance Analysis and Optimization for a Multi-hop Network and Cognitive Radio Network

Abstract

중계 기술은 차세대 무선통신 시스템에서 요구되는 데이터 전송률 및 신뢰도를 비롯한 서비스품질 향상 달성을 위한 가장 중요한 기술 중의 하나이다. 중계 기술의 장점으로 인해 많은 관심을 받고 폭넓게 연구되어 왔으며, IEEE 802.16j 등의 통신 표준에 반영되기도 하였다. 그러나 더 효율적인 다중 홉 포로토콜 설계 및 무선 인지 네트워크에의 응용 등의 분야에 연구가 미흡한 실정이다.

본 논문에서는 중계 기술 연구에 있어 다음과 같은 결과를 보인다. 첫째, 다중 홉 네트워크를 위한 새로운 복호후재전송 프로토콜을 제안한다. 제안한 프로토콜은 불능 확률 최소화를 위해 몇몇 단말기들이 동일은 채널을 사용한다. 이를 위해, 제안한 프로토콜의 불능 확률을 닫힌 형태로 유도하며, 불능 확률 최소화를 위한 최적화 기법을 제안한다. 최적화 기법은 전송 전력 할당, 홉 수 및 시간 분할 수 선택 방법을 포함한다. 또한, 수학적 기법을 이용하여 홉 수 및 시간 분할 수 선택 방법의 복잡도를 줄이는 방법을 제안한다. 모의실험을 통해 얻어진 불능 확률이 유도한 값과 일치함을 확인한다. 또한 제안된 다중 홉 통신 프로토콜이 기존 다중 홉 통신 프로토콜 및 직접 전송 프로토콜보다 낮은 불능 확률을 달정함을 보이며, 특히 신호대잡음비가 낮거나 감쇄 경로 지수가 클 수록 효과적임을 보인다. 또한 홉 수 및 시간 불할 수 선택과정의 복잡도를 줄여도 거의 동일한 불능 확률을 달성함을 확인한다.

둘째, 스펙트럼 공유 무선 인지 네트워크의 성능을 조사한다. 일차 네트워크 및 이차 네크워크의 관계에 따라 두 네트워크가 동기화 된 시나리오, 두 네트워크의 프레임 길이는 동일하지만 동기화 되지 않은 시나리오 및 프레임 길이가 다른 시나리오의 세 가지를 고려한다. 각 시나리오에 대하여 이차 네트워크의 전송 전력 할당 및 중계기 선택 기법을 제안하고, 불능 확률을 유도한다. 모의실험을 통해 얻어진 불능 확률이 유도한 값과 일치함을 확인한다. 일차 네트워크로의 간섭으로 인해 전송 전력이 제약을 받기 때문에 불능 확률 마루가 생김을 확인할 수 있으며, 각 시나리오의 성능이 불능 확률 곡선의 기울기는 비슷하지만 불능 확률 마루가 다름을 확인할 수 있다. 또한 동기화, 중계기 수, 일차네트워크의 송신 신호대잡음비, 간섭 문턱값, 간섭 허용 확률 문턱값 및 일차네트워크와 이차네트워크 간 거리가 불능 확률에 미치는 영향을 확인한다.

Relay communication is one of the most promising technologies for the next-generation wireless systems which support enhanced quality of service such as data rate and reliability. Thanks to its advantage, the relay communication has been drawing a lot of interest and adopted in wireless standards such as IEEE 802.16j. However, there are still many challenges to be addressed such as multi-hop protocols and applications to cognitive radio networks.

The dissertation contains two main results. First, we propose a novel decode-and-forward protocol for a multi-hop network. In the proposed protocol, multiple terminals transmit simultaneously to minimize the outage probability. We analyze the outage probability of the proposed protocol in a closed-form. Also, we propose an optimization algorithm that minimizes the outage probability. The optimization algorithm includes the power allocation and the selection of the number of hops and phases. Also, we propose the reduced complexity selection of the selection of the number of hops and phases by using some approximations and mathematical manipulations. We show that the computational complexity is reduced signicantly. Numerical results verify the validity of our theoretical analysis by comparison with Monte Carlo simulations results. It is shown that the proposed multi-hop protocol provides lower outage probability than the conventional multi-hop protocol as well as single-hop protocol, especially in the case of low signal-to-noise ratio (SNR) and that of high path-loss exponent. It is also shown that the reduced complexity selection provides similar outage probability to the exhaustive search in most regions. In addition, we extend the concept of the proposed DF protocol to the AF protocol.

Second, we investigate a spectrum-sharing cognitive radio network. We consider three network scenarios according to the relation of the primary network and secondary network: one that the primary network and secondary network are synchronized, one that the primary network and secondary network are not synchronized with same frame length, and one that the frame lengths of the primary network and secondary network are different. For each scenario, we propose an power allocation and relay selection. Also, we analyze the outage probability. Numerical results verify the validity of our theoretical analysis by comparison with Monte Carlo simulation results. It is shown that the interference to the primary network causes a oor of outage probability curve. It is also shown that the slopes of outage probability curves are similar for all network scenarios. However, the oor levels vary and that of the first network scenario is the lowest. We investigate the effect of various system parameters on the outage probability. As the system parameters, we consider the number of relays, the transmit SNR of the primary users, the interference threshold, the tolerable probability threshold, and the distance between the primary network and secondary network.