ON THE CAPACITY OF UNDERLAY COGNITIVE RADIO NETWORKS OVER GENERALIZED-K COMPOSITE FADING CHANNELS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Majid_H._Khoshafa.pdf Download (2MB) | Preview

Arabic Abstract

نظرًا إلى التطور السريع في تكنولوجيا الإتصالات اللاسلكية، سرعان ما اصبح الطيف الراديوي واحد من أثمن الموارد في كوكبنا. تعتبر ندرة الطيف الراديوي من أهم التحديات التى تواجهها أنظمة الإتصالات اللاسلكية. ووفقا للدراسات الحديثة فهناك عدم إستغلال للطيف الراديوي بكفاءة عالية مصاحباً للطلب المتزايد على الخدمات اللاسلكية مثل زيادة معدل سرعة نقل البيانات. فقد تم إقتراح الشبكات الرادیویة الإدراكیة (Cognitive Radio Networks) للتغلب على مشاكل ندرة الطيف الراديوي وعدم الإستغلال الأمثل له. الفكرة الأساسية لعمل هذة الشبكات تقوم أساس السماح للمستخدمين الغير مرخص لهم باستخدام حزمة معينة من الطيف الراديوي ومشاركة تلك الحزمة مع المشتركين المرخص لهم استخدامها بشرط عدم الإضرار بالمستخدمين الأساسيين. لذلك يجب ان يكون مقدار التداخل الناتج عن المستخدمين الثانويين ضمن قيمة محددة مسبقاً لا يتم تجاوزها. لهذا تعتبر الشبكات الراديوية الإدراكية ذات أهمية كبيرة لأنظمة الإتصالات الحالية والمستقبلية. الھدف من ھذه الأطروحة ھو دراسة أداء الشبكات الرادیویة الإدراكیة من حیث السعة (Ergodic Capacity) و إحتمالية القطع (Outage Probability) عبر قنوات التلاشي من نوع (Generalized-K Composite Fading Channels). وقد تم العمل في هذة الأطروحة على ثلاثة سيناريوهات في الشبكات الرادیویة الإدراكیة. النوع الأول يتألف من مستخدم أساسي واحد و مستخدمين ثانويين هما المرسل و المستقبل. من خلال النظر في التداخل الناتج من المستخدم الثانوي, فإن هناك نوعين من قيود الطاقة سيتم أخذهما بعين الإعتبار في عمليات التحليل الرياضي. وقد تم إشتقاق صيغ جبرية لأداء تلك الشبكات في هذا السيناريو. أما بالنسبة إلى النوع الثاني, فأنه يتألف من عدد من المستخدمين الاساسيين بالأضافة الى مستخدمين ثانويين المرسل والمستقبل. لمعرفة المزيد من تأثير التظليل و التلاشي على أداء الشبكات في هذا السيناريو, فقد تم اشتقاق الصيغ الجبرية و التأكد من دقتها. في الجزء الاخير من هذة الأطروحة, تمت دراسة وتحليل أداء الشبكات الرادیویة الإدراكیة عبر إستخدام المُرحلات المتعددة. فقد تم إشتقاق الصيغة الجبرية ذات الحد الأعلى للسعة و الصيغة الجبرية ذات الحد الادنى لإحتمالية القطع. تم بإستخدام هذة الصيغ الكشف عن معلومات جديدة توضح أداء الشبكات الرادیویة الإدراكیة ذات المُرَحلات المتعددة و التأثير المتبادل لكلاً من التظليل و التلاشي عليها. و قد تم ايضاً رسم وتوضيح كلاً من النتائج المحددة و النتائج الدقيقة لغرض المقارنة. أضافة الى ذلك فقد تم التأكد من صحة جميع الصيغ التحليلية المشتقة و النتائج المكتسبة لجميع السيناريوهات في هذة الأطروحة بواسطة مونت كارلو للمحاكاة الحاسوبية.

English Abstract

Due to the rapid evolution of wireless communications technology, radio spectrum is rapidly becoming one of the most precious resources on our planet. Spectrum scarcity is considered as a significant challenge for future wireless communication systems. According to the recent studies, the allocated radio spectrum is not efficiently exploited together with the increasing demand for high data rate wireless services. Based on this, cognitive radio (CR) has been proposed to cope with both the under-utilization and scarcity of the radio spectrum. The main purpose of CR is to permit the secondary users (SUs), unlicensed users, to share the radio spectrum of the primary users (PUs), licensed users, which enhances the utilization of the radio spectrum. On the other hand, the performance of the PUs should not be affected by the interference caused by the SUs. Thus, the interference must not exceed a predetermined threshold. The aim of this thesis is to analyze the capacity of underlay cognitive radio networks in terms of two relevant performance metrics, namely the outage probability and the ergodic capacity over generalized-K composite fading channels for three particular scenarios for CR systems. The first scenario considers a single PU with two SUs in which both average and peak received power constraints are taken into account. Closed-form expressions for the two performance metrics, the ergodic capacity and the outage probability, are derived. To gain more insights, two interesting cases for different shadowing scenarios are studied in details. In the second part of this thesis, the performance of CR networks is examined under the peak power constraints for multiple primary users where closed-form expressions for both the heavy and moderate shadowing scenarios are derived. In addition, the effect of the number of PUs on the performance metrics is revealed. In the final part of this thesis, the capacity of underlay cognitive multihop relaying is investigated over generalized-K fading channels. In doing so, we derive upper bound expression for both the ergodic capacity and the lower bound expression for outage probability of the SU. Using both expressions, new insights in the performance of the cognitive multihop amplify-and-forward (AF) relaying are revealed. Finally, for all parts in this thesis, the derived expressions and the obtained results are verified by Monte-Carlo simulations.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Al-Ahmadi, Saad
Committee Members:	Muqaibel, Ali and Al-Ghadhban, Samir
Depositing User:	MAJID KHOSHAFA (g201302350)
Date Deposited:	19 Jan 2017 12:52
Last Modified:	01 Nov 2019 16:36
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140205