COOPERATIVE SPECTRUM SENSING/ACCESS IN COGNITIVE RADIO NETWORKS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Thesis_final_Version.pdf Download (1MB) | Preview

Arabic Abstract

من المتوقع أن تكون تقنية الراديوية الإدراكية (CR) عنصرا أساسيا في الأنظمة اللاسلكية المستقبلية. الهدف الرئيسي من تقنية الراديوية الإدراكية هو تحقيق الاستخدام الأمثل للطيف المستغل من خلال استشعار كفْ و وصول كفْ للطيف. تساهم هذه الأطروحة في مجال الراديو الإدراكي فيما يتعلق بمجالي استشعار الطيف (SS) والوصول للطيف (SA). الجزء الأول من هذه الأطروحة يركز على استشعار الطيف حيث تقدم دراسة مقارنة شاملة بين تقنيات استشعار الطيف (SS) المختلفة من حيث دقة الاستشعار المحقق والتعقيدات الحسابية المطلوبة. وحيث أن استشعار الطيف (SS) المعتمد على كشف الطاقة (ED) يوفر أقل تعقيد حسابي وغير متحيز في طبيعته، فقد تم التركيز عليه في هذه الأطروحة بالتفصيل. وتم دراسة الهيكل العام للإحصائية المختبرة من أجل معالجة بعض أوجه الغموض القائمة في البحوث السابقة، ولكشف النقاب عن بعض الافتراضات الخفية على نموذج الإشارة للمستخدم الأساسي. التحليل المتعمق لكشف الطاقة (ED) يسلط الضوء على تأثير نسبة الإشارة إلى الضوضاء، و دور معوقات الأداء (احتمال الكشف / احتمال الإنذارات الكاذبة) وعدد العينات الملاحظة، على تقريب التوزيع الأحتمالي للإحصائية المختبرة إلى توزيع جاوس. الجزء الثاني من الأطروحة يعالج مشكلة الحصول على إنتاجية فعالة للطيف في شبكات اﻷتصالات المعرفية (CRNs). حيث يتم إستخدام نظرية الألعاب التعاونية (GT) لتشكيل ائتلافات مشتركة (CF) بين المستخدمين بالإضافة إلى التوزيع الأمثل للنطاق الترددي (BW) والتي تم تطويرهما لتخصيص و تحسين الإنتاجية من (CRNs) على مستويين : أولا، في عملية اختيار أفضل الشركاء للتعاون، والثانية، في عملية توزيع أمثل و وصول كفْ للطيف (BW) المتاح. وقد تمت دراسة نماذج الشبكة مركزية و منفصلة على حد سواء، وتم اقتراح خوارزميات (CF) كفؤ، تقوم على تعظيم إعادة استخدام الطيف بكفاءة و تخضع لقيود التداخل بين الأشارات. في حالة الشبكات المركزية (CRNs) ، تم تصميم مشكلة تقسيم الإئتلافات, بهدف تعظيم مجموع معدلات المعلومات المرسلة خلال الشبكة, على أنها لعبة CF منسقة. ومن ناحية أخرى، وبالنسبة ل (CRNs) المنفصلة، تم تصميم لعبة (CF) منفصلة و فيها يقوم المستخدمين (CR) العقلانيين بتنظيم أنفسهم ذاتياً في إئتلافات منفصلة ذات معدلات بيانات كفْ. يتم الحصول على معادلة تعويضية مباشرة لشكل تخصيص الطيف BW الأمثل بين أعضاء التحالف و يتم تحليل الأتزان / الاستقرار بناء على مجموعة متنوعة من قواعد تشكيل الإئتلافات (CF) المقترحة. تم تنفيذ تحليلات مفصلة للخوارزميات المركزية (CF) والموزعة المقترحة, و التي أظهرت فعالية ومكاسب المنهج المتبع في تشكيل الإئتلافات (CF) المشترك و تخصيص الطيف (BW)، من حيث متوسط المردود (معدل البيانات) لكل راديو إدراكي، مقارنة بتقنيات (CF) القائمة.

English Abstract

Cognitive radio (CR) technology is expected to be a key component in future wireless systems. The principal objective of CR is to optimize the use of under-utilized spectrum through efficient spectrum sensing/access. This thesis contributes to the field of CR with respect to both spectrum sensing (SS) and spectrum access (SA). The first part of the thesis focuses on SS. A comprehensive comparative study of various SS techniques is provided in terms of achievable sensing accuracy and the required computational complexity. Since energy detection based SS offers the lowest complexity and is blind in nature, it is investigated in detail. A general structure of the test statistic and its corresponding threshold are presented to address some of the existing ambiguities in the literature, and to unveil some of the hidden assumptions on the primary user signal model. In-depth analysis of ED highlights the roles of signal to noise ratio, performance constraints (probability of detection/false-alarm), and the observed number of samples, in approximating the exact distribution of the test statistic with Gaussian distribution. The second part of the thesis addresses the problem of throughput-efficient spectrum access in cognitive radio networks (CRNs). A cooperative game theoretic (GT) model for joint coalition formation (CF) and bandwidth (BW) allocation is developed and the throughput of a CRN is improved at two levels: First, in the process of choosing best partners to collaborate, and second, in the process of optimally allocating and efficiently accessing the available BW. Both centralized and ad hoc network models are considered, and efficient CF algorithms, that maximize spectrum reuse efficiency subject to interference constraints, are proposed. For centralized CRNs, the sum-rate maximizing network partitioning problem is formulated as a coordinated CF game. On the other hand, for ad hoc CRNs, a fully distributed CF game is designed in which rational distributed CRs self-organize into throughput-efficient disjoint coalitions. A closed-form expression of the optimal BW allocation among the coalition members is obtained and the convergence/stability analysis of a variety of proposed CF rules is carried out. Detailed analyses of the proposed centralized and distributed CF algorithms is performed which shows the effectiveness and the gains of the joint CF and BW allocation approach, in terms of average payoff (rate) per CR, over existing CF techniques.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Engineering Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Mesbah, Wessam
Committee Co-Advisor:	Sheikh, Asrar
Committee Members:	Letaief, Khaled and Landolsi, Adnan and Bokhari, Muhammad
Depositing User:	UMAR RAZA (g200905090)
Date Deposited:	24 Jun 2014 12:01
Last Modified:	01 Nov 2019 15:43
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139313