18505

۱۸۵۰۵

ارائه يك طرح كارآمد براي سنجش طيف در شبكه‌هاي راديو شناختي

دكتري

مخابرات سيستم

آبان ۱۳۹۶

دكتر بهمن ابوالحسني

برق

در شبكه‌‌هاي راديو شناختي، كاربران بدون مجوز بايد باندهاي فركانسي خالي را با استفاده از سنجش طيف پيداكرده تا بتوانند، بدون ايجاد تداخل مزاحم براي كاربران مجوزدار (اوليه)، در آن‌ها به تبادل داده‌هايشان بپردازند. براي افزايش احتمال آشكارسازي صحيح باندهاي خالي، يك راه‌كار متداول استفاده از سنجش طيف مشاركتي است. اما در عمل، سنجش طيف مشاركتي با چالش‌ مهم فرايند گزارش‌دهي غيرايده‌آل روبه‌رو است، كه در آن نتايج سنجش به علت نويز و پديده محوشدگي در كانال گزارش‌دهي تخريب مي‌شوند، و هم‌چنين به شبكه يك سربار زماني جديد ناشي از گزارش تمامي نتايج سنجش تحميل مي‌شود. با در نظر گرفتن اين چالش‌ اصلي، در اين رساله، يك طرح كارآمد براي سنجش طيف مشاركتيِ چند باند فركانسي به صورت همزمان پيشنهاد مي‌شود. اين طرح از پنج فن‌آوري استفاده مي‌كند: (1) استفاده از يك الگوريتم كارآمد جهت خوشه‌بندي كاربران شبكه براي سنجش موازي باندهاي فركانسي مجوزدار، بدون تحميل زمان و انرژي مصرفي بيشتر به فرايند گزارش‌دهي؛ (2) استفاده از يك الگوريتم كارآمد ديگر جهت خوشه‌بندي كاربران شبكه براي متعادل كردن انرژي مصرفي خوشه‌ها در فرايند گزارش‌دهي، و در نتيجه بيشينه‌كردن طول عمر شبكه راديو شناختي؛ (3) استفاده از كدهاي بلوكي فضا-زمان توزيع‌شده متعامد (ODSTBC) براي كاهش احتمال خطا در فرايند گزارش‌دهي؛ (4) استفاده از قانون ادغام وزن‌دهي افزايشي، كه در آن نتيجه سنجش طيف هر كاربر با نتايج ديگر كاربران، بر اساس نسبت سيگنال به نويز (SNR) كانالهاي ارتباطي، در داخل هر خوشه تركيب مي‌شود، تا در زمانِ به اشتراك‌گذاري نتايج در روش ODSTBC، احتمال آشكارسازي صحيح نيز افزايش يابد؛ (5) انتخاب نتايج سنجش با قابليت اعتماد زيادتر بر اساس قانون ادغام وزن‌دهي افزايشي، و ارسال آنان جهت كاهش سربار ترافيكي فرايند گزارش‌دهي. مقادير متغيرهاي كليدي اين طرح پيشنهادي، مانند تعداد كاربران مشاركت‌كننده و تعداد خوشه‌ها، بر روي گذردهي شبكه راديو شناختي، به‌عنوان معيار اصلي كارايي، بسيار تأثيرگذار هستند. در نتيجه، ابتدا با به دست آوردن سه فرم‌ بسته مورد نياز براي محاسبه كران ‌بالاي احتمال خطاي بيت ODSTBC، و احتمال آشكارسازي صحيح و اعلام غلط طرح پيشنهادي، يك فرم بسته براي محاسبه گذردهي شبكه راديو شناختي استخراج مي‌شود. سپس، با پيشنهاد يك مسئله بهينه‌سازي و اثبات گسسته بودن فضاي آن، مقادير بهينه اين متغيرهاي كليدي به نحوي تعيين مي‌شوند كه گذردهي شبكه، تحت قيد محافظت كافي از كاربران اوليه بيشينه گردد. نتايج شبيه‌سازي، ضمن تائيد كارآمدي طرح پيشنهادي براي مقادير مختلف SNR در كانال‌هاي ارتباطي، نشان مي‌دهند كه اين طرح مي‌تواند رسيدن به بيشترين گذردهي و طول عمر را براي يك شبكه راديو شناختي تضمين ‌كند. متوسط بهبود گذردهي طرح پيشنهادي بيش از 11 درصد نسبت به حالت غيرمشاركتي است، اگر دامنه‌ي تغييرات احتمال آشكارسازي صحيح هدف، براي محافظت از سيگنال كاربران اوليه، بين 7/0 تا 99/0 باشد.

1396/11/30

2/19/2018 12:00:00 AM

In cognitive radio networks (CRN), unauthorized (or secondary) users should find unused frequency bands using spectrum sensing in order to transmit their data in those unused bands without generating harmful interference for licensed (or primary) users. To increase probability of correctly detecting unused licensed spectrum bands, a common solution is to use a cooperative spectrum sensing (CSS). However, in practice, the CSS faces the important challenge of an imperfect reporting process, in which noise and fading causing sensing results are degraded, and also generating an overhead traffic due to reporting all sensing results. In this thesis, we consider the above challenge, and propose a novel CSS strategy for CRNs with sensing multi-frequency bands simultaneously. This CSS strategy uses five techniques: (1) it uses an efficient clustering algorithm for simultaneously spectrum sensing of multiple frequency bands, without imposing a new overhead traffic and extra energy to reporting process; (2) it uses another efficient clustering algorithm to evenly distribute the total energy consumption of the CRN among clusters. As a result, it guarantees that the CRN to have maximum lifetime; (3) it employs an orthogonal distributed space-time block code (ODSTBC) to reduce the probability of errors in reporting channels. (4) In each cluster, an incremental weighting (IW) fusion rule is used to improve the accuracy of local sensing results by secondary users (SUs); (5) it selects more reliable improved sensing results for sending to the fusion center. By using this method, the overhead traffic is reduced in reporting channels while sensing performance is maintained. Values of the key parameters of the proposed CSS (such as the number of cooperative SUs, number of clusters) affect CRN’s throughput. Therefore, first we derive closed-form expressions for the upper bound of ODSTBC bit error rate, the detection probability, and the false alarm probability of the proposed strategy. Then, we propose an optimization problem for throughput maximization of the CRN with enough protection of PUs, and we prove there is a discrete space for optimization variables. Simulation results confirm the good performance of the proposed CSS for different SNR’s in reporting channels so that it has 11% more throughput compared with that of the non-cooperative strategy, when the range of target probability of detection (to protect the PU signal) is 0.7 to 0.99.