Κατανεμημένη ανίχνευση φάσματος σε γνωστικές ασύρματες επικοινωνίες

• Main Author: Παναγή, Σπυριδούλα Δανάη
• Other Authors: Μπερμπερίδης, Κωνσταντίνος
• Language: gr
• Published: 2010
• Subjects: Ανίχνευση φάσματος; Γνωστικές ασύρματες επικοινωνίες; Κακόβουλοι χρήστες; Συνεργασία; 384.545 24; Spectrum sensing; Cognitive radio; Malicious users; Cooperation
• Online Access: http://nemertes.lis.upatras.gr/jspui/handle/10889/2911

Με τη ραγδαία ανάπτυξη των ασύρματων επικοινωνιών και την μαζική χρήση τους, εμφανίστηκε το πρόβλημα της διάθεσης των ραδιοσυχνοτήτων του φάσματος, του κύριου αλλά πεπερασμένου πόρου για τις ασύρματες επικοινωνίες. Η κύρια πολιτική πρόσβασης στο φάσμα ραδιοσυχνοτήτων, είναι η εξουσιοδότηση επιλεγμένων χρηστών να μεταδίδουν σε συγκεκριμένο εύρος συχνοτήτων. Παρά την κάλυψη όλων των ραδιοσυχνοτήτων από εξουσιοδοτημένους χρήστες, την αυξημένη ζήτηση και το υψηλό κόστος πρόσβασης, μετά από έρευνες αποδεδείχθηκε ότι μόνο το 70% του φάσματος χρησιμοποιείται αποδοτικά μέχρι σήμερα. Η τεχνολογία του Cognitive Radio αναπτύχθηκε με την προοπτική να επιτύχει αποτελεσματικότερη χρήση του φάσματος, δίνοντας τη δυνατότητα σε μη εξουσιοδοτημένους χρήστες να έχουν πρόσβαση σε συχνότητες που είναι καθόλου ή μερικώς κατειλημμένες από τους εξουσιοδοτημένους χρήστες, στο χώρο και στο χρόνο. Η τεχνολογία του Cognitive Radio εφαρμόζει δυο βήματα. Πρώτα αντιλαμβάνεται την κατάσταση του φάσματος στο χώρο σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές και έπειτα διαθέτει δυναμικά τις ελεύθερες συχνότητες που εντόπισε στους μη εξουσιοδοτημένους χρήστες, η διαδικασίες ονομάζονται ανίχνευση και κατανομή φάσματος αντίστοιχα. Ο μόνος περιορισμός είναι, το εκπεμπόμενο σήμα των μη εξουσιοδοτημένων χρηστών να μην παρεμβαίνει (με τη μορφή θορύβου) στο σήμα των εξουσιοδοτημένων χρηστών. Σε αυτήν την εργασία θα υλοποιηθεί μια μέθοδος της διαδικασίας ανίχνευσης φάσματος και οι τεχνικές που την εφαρμόζουν. Ο κύριος στόχος της ανίχνευσης φάσματος είναι ο εντοπισμός των εξουσιοδοτημένων χρηστών όταν αυτοί εκπέμπουν στις καθορισμένες για τον καθένα συχνότητες. Αυτό επιτυγχάνεται όταν φτάνει το σήμα των εξουσιοδοτημένων χρηστών στην κεραία του μη εξουσιοδοτημένου χρήστη. To βασικό εμπόδιο που παρουσιάζεται για τον εντοπισμό αυτών είναι η εξασθένηση του σήματος του εξουσιοδοτημένου χρήστη εξαιτίας των κακών συνθηκών καναλιού που προκύπτουν από τα φαινόμενα multipath, distance dependent path loss και shadowing. Μελέτες έδειξαν ότι η συνεργασία των μη εξουσιοδοτημένων χρηστών σε ένα δίκτυο μπορεί να ακυρώσει την επίδραση τέτοιων φαινόμενων στη διαδικασία εντοπισμού. Έτσι έχουν αναπτυχθεί ποικίλες τεχνικές ανίχνευσης φάσματος βασισμένες στη συνεργασία των μη εξουσιοδοτημένων χρηστών. Η παρούσα εργασία υλοποιεί μια μέθοδο συνεργαζόμενης ανίχνευσης φάσματος που βασίζεται στην ενέργεια του σήματος. Λόγω του κινδύνου αλλοίωσης αποτελεσμάτων από την παρουσία κακόβουλων χρηστών σε συστήματα συνεργασίας, η τεχνική συνεργασίας που επιλέχθηκε εστιάζει στην προστασία του δικτύου από κακόβουλους χρήστες. Μια τέτοια τεχνική θα συγκέντρωνε όλη την απαιτούμενη επεξεργαστική ισχύ σε έναν μη εξουσιοδοτημένο χρήστη που θα αποτελούσε το κέντρο παραγωγής των αποφάσεων-το fusion center. Στην εργασία αυτή η απαιτούμενη επεξεργαστική ισχύς κατανέμεται σε όλους τους μη εξουσιοδοτημένους χρήστες. Αυτό επιτυγχάνεται εισάγοντας ένα επιπλέον βήμα στη διαδικασία. Οι μη εξουσιοδοτημένοι χρήστες εκτελούν αρχικά μια νέα τεχνική ανίχνευσης φάσματος μεμονωμένα, ώστε η τελική απόφαση του fusion center να αφορά αυτές τις συχνότητες για τις οποίες δεν υπήρξε ταύτιση από την πλειοψηφία τους. Η νέα τεχνική που θα εκτελείται μεμονωμένα από τους μη εξουσιοδοτημένους χρήστες είναι μια τεχνική ανίχνευσης φάσματος που δεν διακρίνεται για τα καλά της αποτελέσματα και η μόνη εγγύηση που μπορεί να προσφέρει είναι ο ακριβής εντοπισμός των συχνοτήτων στις οποίες οι εξουσιοδοτημένοι χρήστες δεν μεταδίδουν, θυσιάζοντας πιθανώς κατειλημμένες συχνότητες. Η στοιχειώδης λειτουργία αυτής της τεχνικής σε συνδυασμό με τις ανύπαρκτες απαιτήσεις σε δεδομένα εκ των προτέρων γνωστά, την χαρακτηρίζει πλήρως κατάλληλη για πρώτο βήμα στη μέθοδο που αναπτύχθηκε. === Due to rapid growth of wireless communications and the massive use of them, the problem of sharing the radio spectrum, the main though finite source of wireless communication, made its appearance. The main radio spectrum access policy is to predefine users -named primary- for transmitting to particular radio frequencies. Nevertheless the authorization of the whole the radio spectrum, given the strong competition and the high financial cost for access, doesn’t exploit completely the source. On the contrary, researches have shown that only the 70 % of the radio spectrum is effectively used. The Cognitive Radio technology was developed with the prospect to achieve a more effective use of spectrum, by giving the chance of transmission to non authorization users -secondary- in frequencies which are partially or completely unoccupied with primary users’ signals, from the perspectives of time and space. Cognitive Radio technology applies two processes. At first it senses the spectrum current flow in particular space and time periods, then it dynamically sharing those available frequencies which it sensed, to secondary users. These processes named as Spectrum Sensing and Spectrum Access respectively. The only restriction define to that, transmitted signal of secondary users is forbidden from interfering with primary user signal. In this study, a method of Spectrum Sensing process and individual techniques will be developed. The main objective of Spectrum Sensing process is to determine primary users when they transmit to predefined frequencies. This can be accomplished provided that the signal of primary user can be received from secondary user. Signal deterioration due to channel conditions could be a reason for secondary users in order to not receive primary user signal. Some of these conditions are multipath, distance dependent path loss και shadowing phenomenon. Researches have shown that the secondary users’ cooperation can avoid the effect of those conditions in spectrum sensing process. Thus a variety of spectrum sensing techniques have been developed, which are based on secondary users’ cooperation. In the present study is performed an energy based cooperative spectrum sensing method. Due to the possibility of cooperating with malicious users in the process, the performed cooperation technique focuses on protection from malicious users. Note that such a technique will concentrate the whole computing power on a single secondary user, which one make the final decision and named fusion center. The method of this study distributes the computing power among all the secondary users. That happens by adding one more step in the process. Secondary users firstly execute a spectrum sensing technique individually, in order the process of fusion center to affect only those frequencies, which secondary individual decisions achieved a degree of unanimity for. The individual technique executed by secondary users is not typical of good results in sensing the primary users who transmit, however it gives a guarantee of small values in false alarm possibility. The fundamental operation of this technique in coexistence with very few a-priory requirements made it the appropriate technique for the first step of our method.