Cognitive radio networks optimization with spectrum sensing algorithms

disertacija

• Naslov (hrvatski): Optimizacija spoznajnih radijskih mreža s algoritmima raspoznavanja spektra
• Autor: Tanuja Satish Dhope
• Mentor: Dina Šimunić (mentor)
• Član povjerenstva: Krešimir Malarić (predsjednik povjerenstva)
• Član povjerenstva: Hrvoje Domitrović (član povjerenstva)
• Član povjerenstva: Ramjee Prasad (član povjerenstva); strani drzavljanin: Nije dostupno
• Ustanova koja je dodijelila akademski / stručni stupanj: Sveučilište u Zagrebu; Fakultet elektrotehnike i računarstva; (Zavod za komunikacijske i svemirske tehnologije); Zagreb
• Datum i država obrane: 2012-11-27, Hrvatska
• Znanstveno / umjetničko područje, polje i grana: TEHNIČKE ZNANOSTI; Elektrotehnika
• Univerzalna decimalna klasifikacija (UDC): 621.3 - Elektrotehnika

Sažetak

Static allocation of spectrum scheme around the world, which is allocated to specific technology based services, such as mobile, fixed, broadcast, fixed satellite and mobile satellite services is commonly used on exclusive basis. These wireless communication systems are representatives of 2G and 3G systems with all evolution phases towards 4G systems. The complexity of wireless networks requires a careful design, especially related to bandwidth and energy efficiency. Bandwidth efficiency is very important parameter, because it relates to frequency spectrum, which is naturally scarce resource. Many new wireless applications cannot be rolled out because of unavailability of free spectrum. The “Cognitive Radio” (CR) has been proposed to meet the ever increasing demand of the radio spectrum by allocating the spectrum dynamically without causing interference to the licensed users. The work justifies the “Television White Space” (TVWS) opportunities for CR created due to “Digital Dividend” (DD) of 700MHz band and regulatory aspects in India for CR applications and the use cases for the exploitation of TVWS depending on users’ mobility and geo-location between the user and BS. In CR, spectrum sensing is the fundamental problem. A novel hybrid detection method is proposed which exploits the advantages of energy detection and covariance absolute value methods. It outperformed energy detection and covariance absolute value method under Rayleigh time varying fading channel for Digital Video Broadcast for Terrestrial (DVB-T) signal and is more insensitive to the type of input data. The work also contributes in analyzing the cooperative power sensing of the received signal for spectrum sensing to detect whether the received signal is signal of interest or noise, based on the knowledge of noise power and its performance under various channel models. Finally, comparison of various Direction-of-Arrival (DoA) algorithms for narrow- and wide-angular separations for the application in CR networks is evaluated and proposal of a novel, better performing algorithm is done.

Sažetak (hrvatski)

Shema statičke dodjele spektra, koja se dodjeljuje za usluge temeljene na pokretnim, nepokretnim, radiodifuznim, nepokretnim satelitskim i pokretnim satelitskim mrežama u cijelom svijetu obično se koristi na ekskluzivnoj osnovi. Ovi bežični komunikacijski sustavi su predstavnici 2G i 3G sustava sa svim fazama evolucije prema 4G sustavima. Kompleksnost bežičnih mreža zahtijeva pažljivi dizajn, posebno u vezi sa širinom pojasa i energetskom učinkovitosti. Učinkovitost širine pojasa je vrlo važan parametar, jer se odnosi na frekvencijski spektar, koji je zbog svoje prirode ograničeni resurs. Mnoge nove bežične aplikacije ne mogu se primijeniti zbog nedostupnosti slobodnog spektra. Spoznajni radijski sustavi su predloženi kao buduće tehnološko rješenje, kako bi se zadovoljila sve veća potražnja radijskog spektra dodjelom dinamičkog spektra bez uzrokovanja interferencije prema licenciranim korisnicima. Rad opravdava mogućnosti uporabe “televizijskog bijelog spektra” (eng. Television White Space, TVWS) u spoznajnim radijskim mrežama u pojasu 700MHz i regulatorne aspekte u Indiji za primjene spoznajnog radija, kao i specifične slučajeve korištenja televizijskog bijelog spektra, koji ovise o pokretljivosti korisnika i položaju korisnika u odnosu na baznu postaju. U spoznajnim radijskim mrežama, raspoznavanje spektra je osnovni problem. U radu se analizira energetska detekcija bez nesigurnosti šuma, sa nesigurnošću šuma i metodom apsolutne vrijednosti kovarijance osnovane na zemaljskom digitalnom video odašiljanju (engl. Digital Video Broadcast-Terrestrial, skraćeno DVB-T) pod uvijetima različitih vremenski promjenjivih kanala s fedingom. Stoga je predložen novi algoritam hibridne detekcije, koji iskorištava prednosti detekcije energije i metode apsolutne vrijednosti kovarijance. Pokazao se mnogo boljim i od postupka detekcije energije, kao i od metode apsolutne vrijednosti kovarijance u uvjetima Rayleigh-evog vremenski promjenljivog kanala s fedingom. Također je mnogo manje osjetljiv na tip ulaznih podataka. Rad također doprinosi analiziranju raspoznavanja suradne snage prijamnog signala za raspoznavanje spektra, kako bi se detektiralo da li je prijamni signal u naravi signal ili je šum, a temeljeno na poznavanju snage šuma i njegovim značajkama u uvjetima različitih modela kanala. Kooperativno raspoznavanje spektra osnovano na detekciji energije s logičkim 'ILI' pravilom daje bolje rezultate od logičkog 'I' u uvjetima Rayleigh fedinga. Učinkovitost detekcije raste s porastom broja uzoraka i porastom broja kooperativnih korisnika. AWGN kanal s 5 i s 4 surađujuća korisnika ima veću učinkovitost u usporedbi s jednim korisnikom koji nije u mogućnosti detektirati licenciranog korisnika pri SNR od -14 dB. Također, najmanje 10 surađujućih korisnika je potrebno da se u CR sustavu postigne optimalna razina vjerojatnosti detekcije. Konačno, dana je usporedba različitih algoritmima za raspoznavanje smjera dolaska elektromagnetskog vala (eng. Direction-of-Arrival) za uskokutna i širokokutna odvajanja je ustanovljena za primjenu u spoznajnim radijskim mrežama, kao i prijedlog novog algoritma s boljim značajkama. Uspoređeni algoritmi uključuju Bartlett, Capone, MUSIC, ESPRIT i root-MUSIC algoritme. Usporedba je vršena u odnosu na broj presjeka, odnos signala prema šumu, srednu kvadratnu pogrešku te standardna devijaciju dolaznog kuta. Rezultati simulacije pokazuju da se učinkovitost algoritma povećava s brojem elemenata u nizu, s povećanjem broja vremenskih presjeka signala, odnosom signala prema šumu, te većom kutnom razlikom između signala. Analizira se učinkovitost svih algoritama za kutove dolaska oko 900 za široke razlike u kutevima dolaska koji daju krive rezultate uslijed lažnog spektra pri negativnom smjeru od 900 (okrenuti 1800). Rezultati jasno pokazuju da ‘MUSIC’ algoritam daje bolje rezultate jer je pokazao superiorne rezultate u svim kriterijima usporedbe (razina signal prema šumu, broj elemenata, broj vremenskih presjeka) te u svim uvjetima okoliša (uska, široka i kombinirana kutna razdvojenost).

• Ključne riječi: cognitive radio; television white space; IEEE 802.11 af; use cases for TVWS; energy detection; covariance absolute value; hybrid detection method; fading channel; cooperative sensing; DoA estimation algorithm
• Ključne riječi (engleski): spoznajne radijske mreže; televizijski bijeli spektar; IEEE 802.11af; korisnički slučajevi televizijskog bijelog spektra; detekcija energije; apsolutna vrijednost kovarijance; metoda hibridne detekcije; kanal s fedingom; suradno raspoznavanje; algoritam za rapoznavanje smjera dolaska elektromagnetskog vala
• Jezik: engleski
• URN:NBN: urn:nbn:hr:168:821720
• Projekt: Šifra: 036-0363081-1649; Naziv: Istraživanje povećanja učinkovitosti bežičnih komunikacijskih sustava; Voditelj: Dina Šimunić; Pravna nadležnost: Hrvatska; Financijer: MZOS; Linija financiranja: ZP
• Studijski program: Naziv: Elektrotehnika; Vrsta studija: sveučilišni; Stupanj studija: poslijediplomski znanstveni (doktorski); Akademski / stručni naziv: doktor/doktorica znanosti, po-dručje tehničkih znanosti (dr. sc.)
• URL zapisa u katalogu: http://lib.fer.hr/cgi-bin/koha/opac-detail.pl?biblionumber=40521
• Vrsta resursa: Tekst
• Opseg: 168 str ; 30 cm
• Način izrade datoteke: Izvorno digitalna
• Prava pristupa: Zatvoreni pristup
• Repozitorij: Repozitorij FER-a
• Datum i vrijeme pohrane: 2020-09-07 10:23:19