Μελέτη απόδοσης δικτύων ράδιο-γνώσης με χρήση διαστρωματικών προσεγγίσεων

Abstract

A cognitive radio network (CRN) consists of a primary (i.e. licensed) network (PN) and a secondary one (SN). The main objective of CRNs is the efficient spectrum exploitation by providing the means that allow the secondary users (SUs) to access the resources of the PN without causing harmful interference to the primary users (PUs). A SU may exploit spectrum bands of the PN relying either on opportunistic spectrum access (OSA) or on spectrum sharing (SS) methodologies. In OSA CRN, PN’s bands can be used by a SU only if they are vacant while in SS CRN both SU and PU can utilize the same frequency band simultaneously. The main cognitive tasks consists of the power control (PoC) and the spectrum sensing (SpSe), which both control the access to spectrum bands that are originally allocated to a PN by a SU under the constraints for protecting the PU. This thesis studies the performance of both OSA and SS CRNs using cross-layer design approaches in order to provide reliable and optimum packet transmission at the MAC layer with quality of service (QoS) guarantees, to optimize the SU’s performance given the PU’s protection and to realize the impact of imperfect spectrum sensing at the MAC layer. The reliable and optimum packet transmission at the MAC layer with QoS guarantees is accomplished by the combination of adaptive modulation with hybrid automatic repeat request (HARQ) protocol in OSA CRNs. The SU’s performance is maximized by formulating a convex optimization problem for the SU’s capacity over the PoC and SpSe that is solved with an iterative subgradient method which results in optimal power allocation and sensing threshold selection. Finally, the impact of imperfect SpSe at the MAC layer is realized by modelling the Carrier Sensing Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA) and the SpSe as two state Markov processes and thus obtaining the joint steady state distribution that encompasses the parameters of both mechanisms.

Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε η απόδοση των δικτύων ράδιο-γνώσης συνδυάζοντας δύο βασικές λειτουργίες τους, τον έλεγχο της ισχύος και την ανίχνευση του φάσματος, με άλλες τεχνικές για την αξιόπιστη και βέλτιστη μετάδοση δεδομένων σε ασύρματα κανάλια διαλείψεων χρησιμοποιώντας τεχνικές διαστρωματικού σχεδιασμού. Αρχικά, μελετήθηκαν οι διάφοροι διαστρωματικοί σχεδιασμοί που προτάθηκαν έως σήμερα για τα συστήματα ασύρματων επικοινωνιών και έτσι διακρίθηκαν οι διάφορες τεχνικές διαστρωματικού σχεδιασμού. Στη συνέχεια, μελετήθηκε ο διαστρωματικός συνδυασμός του ελέγχου της ισχύος ενός δικτύου ραδιο-γνώσης που βασίζεται στην ευκαιριακή πρόσβαση στο φάσμα με την προσαρμοσμένη διαμόρφωση στο φυσικό επίπεδο και με τον μηχανισμό αυτόματης επαναληπτικής αίτησης στο επίπεδο σύνδεσης. Ο σχεδιασμός αυτός βασίστηκε στην εκτίμηση της κατάστασης του καναλιού και ανέδειξε το κέρδος της εφαρμογής της προσαρμοσμένης διαμόρφωσης και του μηχανισμού αυτόματης επαναληπτικής αίτησης σε ένα ευκαιριακής πρόσβασης στο φάσμα δίκτυο ράδιο γνώσης. Επιπλέον, στα πλαίσια της παρούσας διατριβής θεωρήθηκε η προστασία του πρωτεύοντος δικτύου με την υποβολή περιορισμού στην παραγόμενη ισχύ παρεμβολής που δημιουργείται σε αυτό από την εκπομπή στο δευτερεύων δίκτυο και έτσι μελετήθηκε η απόδοση του σε αυτή την περίπτωση. O διαστρωματικός σχεδιασμός χρησιμοποιήθηκε για την μετάφραση της εγγύησης για ποιότητα στην υπηρεσία στο επίπεδο σύνδεσης σε συγκεκριμένο μετρικό απόδοσης στο φυσικό επίπεδο. Στη συνέχεια, μελετήθηκε ο συνδυασμός του ελέγχου της ισχύος με την ανίχνευση του φάσματος στο φυσικό επίπεδο σε ένα δίκτυο ράδιο-γνώσης διαμοιρασμού του φάσματος. Ο συγκεκριμένος κοινός σχεδιασμός αυτών των μηχανισμών αναδεικνύει τις δυνατότητες βελτιστοποίησης της απόδοσης ενός δικτύου ράδιο-γνώσης προσαρμόζοντας το κατώφλι ανίχνευσης του φάσματος. Τέλος, μελετήθηκε ο διαστρωματικός σχεδιασμός του πρωτοκόλλου πολλαπλής πρόσβασης με ανίχνευση του φέροντος για αποφυγή της σύγκρουσης στο επίπεδο σύνδεσης με την ανίχνευση του φάσματος στο φυσικό επίπεδο από τον οποίο προέκυψε η από κοινού σταθερή κατανομή η οποία ενσωματώνει όλες τις κρίσιμες παραμέτρους των δικτύων ραδιο-γνώσης και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αποτίμηση τους όταν εφαρμόζουν λειτουργία κατανεμημένης συνεργασίας.