Distributed opportunistic spectrum access via adaptive carrier sensing in cognitive radio networks

• Main Author: Derakhshani, Mahsa
• Other Authors: Tho Le-Ngoc (Supervisor)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2013
• Subjects: Engineering - Electronics and Electrical
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=119593

The limitations of current static spectrum management policy drive the idea of a more dynamic access policy to improve the efficiency of radio spectrum usage and accommodate the increasing demand for wireless communication applications. Known as the opportunistic spectrum access (OSA), the new paradigm allows cognitive secondary users (SUs) to access the licensed spectrum, provided that the interference to the licensed primary users (PUs) is limited. In a cognitive radio network, since SUs are intended to track and take advantage of instantaneous spectrum opportunities, adaptive learning-based spectrum access schemes are desired to optimize spectrum utilization and ensure a peaceful coexistence of licensed and unlicensed systems. This thesis deals with the modeling, development and analysis of OSA schemes in a cognitive radio network from both SU and PU perspectives. The research objective is to maximize the overall throughput of SUs, while sufficiently protecting the ongoing operation of PUs.From the SU perspective, to avoid the high-risk data loss due to the random return of PUs, we present a dynamic hopping transmission strategy for SUs to access the temporarily idle frequency slots of a licensed frequency band, with adaptive activity factors. Upon applying the dual decomposition, the optimal activity factor allocation algorithm is developed. To facilitate spectrum sharing in a decentralized manner, we propose an adaptive carrier sense multiple access (CSMA) scheme. Based on the proposed CSMA scheme, learning-based distributed access algorithms for SUs are devised, including non-game-theoretic and game-theoretic approaches. The proposed algorithms can be independently performed by each SU to learn its optimal activity factors from the locally available information. To evaluate the effects of inevitable collisions among SUs in the proposed adaptive CSMA scheme, the collision probability and saturation throughput are studied by both analysis and simulation. Simulation results show significant performance improvements in terms of the achievable throughput compared to the conventional CSMA scheme. From the PU perspective, by applying the proposed access scheme to SUs, we study the interference caused by SUs to the PU due to miss-detection, and also its effects on the capacity-outage performance of the PU in a cognitive radio network. Based on the developed statistical models for the interference distribution, closed-form expressions for the capacity-outage probability of the PU are derived to examine the effects of various system parameters on the performance of the PU in the presence of interference from SUs. The model is extended to investigate the effects of cooperative sensing on the aggregate interference and the capacity-outage performance, considering OR (logical OR operation) and maximum likelihood cooperative detection techniques. === Les limites de la politique d'utilisation statique du spectre ont conduit à l'idée d'une politique d'accès plus dynamique pour améliorer l'efficacité du spectre radio utilisé et accommoder l'augmentation de la demande des applications de communication sans fils. Connu sous le nom d'accès opportuniste au spectre (AOS), ce nouveau model permet à un utilisateur secondaire (US) cognitif d'accéder à un spectre licencié, tout en limitant l'interférence de l'utilisateur primaire (UP) licencié. Dans un réseau radio cognitif, puisque les USs sont sensés traquer et profiter des instants d'opportunité spectrale, des schémas d'accès spectral basés sur l'apprentissage adaptatif sont désirés pour optimiser l'utilisation spectrale et assurer une parfaite coexistence entre les systèmes licenciés et non licenciés. Cette thèse se consacre à la modélisation, au développement et à l'analyse des schémas d'AOS dans les réseaux radio cognitif du point de vue des UP et US. L'objectif de cette recherche est de maximiser le flux total des USs, tout en protégeant suffisamment le fonctionnement de l'UP. Du point de vue de l'US, afin d'éviter un risque élevé de perte de données causée par le retour aléatoire de l'UP, nous présentons une stratégie de transmission basée sur le saut dynamique pour les USs afin d'accéder aux blocs de fréquences temporairement libres dans une bande licenciée, avec un facteur d'activité adaptatif. Lors de l'application de la double décomposition, un algorithme d'allocation optimale des facteurs d'activité est développé. Afin de faciliter le partage du spectre de manière décentralisée, nous proposons un schéma adaptif basé sur la technique CSMA (accès multiple avec détection de porteuses). En se basant sur le schéma proposé, des algorithmes d'accès distribués pour les USs basés sur l'apprentissage sont conçus, incluant des approches basées sur la théorie des jeux et d'autres non. Les algorithmes proposés peuvent être utilisés indépendamment par chaque US pour apprendre son facteur d'activité optimal à partir de l'information localement disponible. Pour évaluer les effets de collisions inévitables entre les USs dans le schéma CSMA proposé, la probabilité de collision et le flux de saturation sont étudiés analytiquement et à travers des simulations. Les résultats des simulations démontrent une amélioration considérable de performance, particulièrement de point de vue de débit réalisé par rapport à celui réalisé selon le CSMA conventionnel.Du point de vue de l'UP, nous employons le schéma d'accès proposé pour les USs, et étudions l'interférence causée par les USs aux UPs à la suite d'une erreur de détection, ainsi que ses effets sur la capacité de coupure de l'UP dans un réseau radio cognitif. En se basant sur les modèles statistiques de la distribution de l'interférence, des expressions exactes de la probabilité de la capacité de coupure pour l'UP sont dérivées afin d'examiner les effets des différents paramètres du système sur la performance de l'UP en présence des USs interférant. Le modèle est étendu pour investiguer les effets de la détection coopérative sur l'interférence totale et la capacité de coupure, en considérant l'operateur logique OR et une détection coopérative de maximum de vraisemblance.