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Título: Spectrum-sensing threshold designs for cognitive radios
Autores: Jia, Peng
Fecha: 2011
Publicador: McGill University - MCGILL
Fuente:
Tipo: Electronic Thesis or Dissertation
Tema: Engineering - Electronics and Electrical
Descripción: This thesis presents a study of optimal threshold designs for energy-detection based spectrum sensing in a cognitive-radio network with a pair of Primary-User (PU) transmitter-receiver and a pair of Secondary-User (SU) transmitter-receiver uniformly distributed in their corresponding transmission and interference ranges. Both large-scale path-loss and small-scale fading are considered in the wireless channel model. At first, the optimization problems under three criteria: Risk Minimization, Cost Minimization, and Capacity Maximization are formulated for SU with narrowband sensing capability. Derived under Bayesian framework, Risk Minimization threshold aims to minimize the sum of the miss detection and false alarm probabilities while Cost Minimization threshold considers minimizing the losses in PU and SU link rates due to miss detection and false alarm. On the other hand, Capacity Maximization thresholds are derived to achieve the maximum weighted sum of the PU and SU link rates. The performance of the derived optimal sensing thresholds is investigated and compared in terms of the achieved PU, SU link rates, and the sum capacity of the network for different PU transmission activity factors. Advantages of knowledge of PU and SU locations are also evaluated. Illustrative results show that SU opportunistic capacity can be obtained at the costs of some degradation in the PU link rate. In the narrowband sensing case, the Bayesian-based Risk Minimization and Cost Minimization thresholds are found to be more PU-link protective (i.e., introduce less degradation in PU link rate, especially at high PU transmission activity factor) while Capacity Maximization threshold can achieve the highest sum capacity of the network. The optimal threshold designs for narrowband sensing are further examined to include the constraint on guaranteed minimum degradation in the achieved PU rate. Under this constraint, the advantage in protecting the PU link of the Bayesian-based thresholds is no longer useful, and Capacity Maximization threshold is the better choice as it offers higher SU link rate and sum capacity. Furthermore, the study of optimum sensing thresholds for three criteria and without and with constraint is extended to consider the case of SU with wideband sensing capability along with a spectrum access algorithm, aiming at reducing the miss detection probability. Results show that, compared to the narrowband sensing, for all three criteria, the wideband sensing approach offers much better SU and PU link rates over the whole range of PU transmission activity factor and the resulting sum rate increases monotonically with the number of subcarriers. It is also confirmed that, for wideband sensing, Capacity Maximization threshold again outperforms the Bayesian-based thresholds to meet a much more stringent constraint on guaranteed PU rates while providing better SU link rates and sum rates.
Ce mémoire présente une étude de la conception de seuils optimaux pour les méthodes de perception du spectre basées sur le test d'énergie dans un réseau de radio cognitive, dans lequel se trouve une paire émetteur-récepteur pour l'Utilisateur Primaire (PU) et une paire émetteur-récepteur pour l'Utilisateur Secondaire (SU) uniformément distribuées dans leurs plages de transmission et d'interférence respectives. L'affaiblissement de propagation et l'évanouissement à petite échelle sont tous deux considérés dans le modèle du canal sans fil. En premier lieu, les problèmes d'optimisation sont formulés pour le PU avec possibilité de perception du spectre en bande étroite selon trois critères: minimisation du risque, minimisation du coût et maximisation de capacité. Obtenus grâce à un cadre bayésien, le seuil de minimisation du risque cherche à minimiser la somme des probabilités de détection manquée et de fausse alerte tandis que le seuil de minimisation du coût considère les pertes de débit du PU et SU dues à la détection manquée et à la fausse alerte. En revanche, les seuils de maximisation de capacité sont dérivés pour atteindre la somme pondérée maximum de débit du PU et SU. La performance des seuils optimaux dérivés est enquêtée et comparée selon le débit atteint par le PU et SU, ainsi que la somme des débits du réseau pour différents facteurs d'activités de transmission pour le PU. Les avantages apportés par la connaissance de la localisation du SU sont aussi évalués. Les résultats illustratifs démontrent que la capacité opportuniste du SU peut être obtenue au détriment du débit du PU. Dans le cas d'écoute en bande étroite, les seuils bayésiens obtenus avec la minimisation du risque et la minimisation du coût protègent mieux le PU (i.e., introduisent moins de dégradation du débit du PU, en particulier lorsque le facteur d'activité du PU est élevé) tandis que les seuils de maximization de capacité peuvent atteindre la plus haute capacité combinée du réseau. La conception de seuils optimaux pour la perception du spectre en bande étroite est examinée d'avantage pour inclure la contrainte qui garantit la dégradation minimale du débit atteignable du PU. Avec cette contrainte, il n'est plus avantageux de protéger le lien du PU des seuils bayésiens, et le seuil de maximisation de capacité représente un meilleur choix puisqu'il offre un plus haut débit pour le SU ainsi qu'une capacité combinée augmentée. De plus, l'étude des seuils optimaux pour les trois critères, avec et sans contrainte, est étendue pour considérer le cas du SU avec possibilité de perception du spectre en bande large ainsi qu'un algorithme pour accéder au spectre, visant à réduire la probabilité de détection manquée. Les résultats démontrent que, comparée à la perception du spectre en bande étroite, la perception du spectre en bande large offre de meilleurs débits aux SU et PU sur toute la plage de facteurs d'activité du PU et le débit combiné est en augmentation monotonique avec le nombre de sous-porteurs. Il est aussi confirmé que, pour la perception du spectre en bande large, le seuil pour la maximisation de capacité est plus performant que les seuils bayésiens pour permettre une contrainte beaucoup plus stricte sur les débits guarantis au PU tout en fournissant de meilleurs débits au PU et SU.
Idioma: en