University of Oulu

Spectrum sharing using cognitive radio system capabilities : methods to obtain and exploit knowledge of spectrum availability

Saved in:
Author: Matinmikko, Marja
Organizations: University of Oulu, Faculty of Technology, Department of Communications Engineering
Format: eBook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 7.1 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789513879433
Language: English
Published: Espoo : VTT Technical Research Centre of Finland, 2012
Publish Date: 2012-11-12
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Thesis for the degree of Doctor of Science to be presented with due permission for public examination and criticism in OP-sali (Auditorium L 10), at the University of Oulu, on 23 November 2012, at 12 noon.
Opponent: Professor Riku Jäntti
Professor Jens Zander
Kustos: Professor Jari Iinatti
Description:

Abstract

This thesis presents methods to obtain and exploit knowledge of spectrum availability for cognitive radio systems (CRSs). CRSs can change the way to access the radio spectrum in response to the growing data rate and spectrum demand of the future mobile telecommunication market. A CRS includes capabilities to obtain knowledge of system internal and external state, dynamically and autonomously adjust its operations accordingly, and learn from the results. Future CRSs can enhance spectrum sharing by exploiting temporarily and locally available spectrum while guaranteeing that primary systems remain free from harmful interference.

This thesis presents novel directional and distributed spectrum occupancy measurements for the 2.4 GHz industrial, scientific and medical (ISM) band to characterise the current spectrum use and the potential availability of spectrum for CRSs, taking into account the spatial dimension. This is the first study to show that the spectrum occupancy can vary significantly depending on the measurement location even in the same office area at the same time.

Knowledge of spectrum availability for CRSs can be accomplished by several methods, including control channels, databases, and spectrum sensing tech-niques, which all have different capabilities, requirements and performances. In order to use proper methods in different situations, this thesis proposes a novel band-specific approach, where the selection of the method to obtain knowledge of spectrum availability is determined separately for each frequency band based on the deployment characteristics and regulatory requirements of the specific band.

Spectrum sensing is studied in more detail by presenting analytical perfor-mance evaluation for a selected algorithm, Welch’s periodogram, in a Rayleigh fading channel. Fuzzy combining is proposed for cooperative spectrum sensing, where the sensing results from several nodes are combined to improve the sensing reliability in a fading environment. In addition, a novel rule-based decision-making system with a learning mechanism is developed for the selection between different spectrum sensing techniques.This is the first work in the research literature to consider this problem. Finally, in order to exploit the spectrum and assign the available frequency channels to the different users, this thesis presents centralised and distributed channel assignment methods based on a heuristic harmony search algorithm. The presented results can be used in the development of future mobile communication systems enhanced with CRS capabilities to respond to the growing data rate and spectrum demand.


Tiivistelmä

Tämä työ esittelee menetelmiä, joilla voidaan selvittää ja hyödyntää tietoa taajuuksien saatavuudesta kognitiivisille radiojärjestelmille. Kognitiiviset radiojärjestelmät voivat muuttaa merkittävästi taajuuksien käyttötapaa vastauksena tulevaisuuden matkaviestintämarkkinan kasvavaan datanopeuksien ja taajuuksien tarpeeseen. Kognitiiviset radiojärjestelmät kykenevät saamaan tietoa järjestelmän sisäisestä ja ulkoisesta tilasta, mukauttamaan dynaamisesti ja autonomisesti toimintaansa kerätyn tiedon perusteella sekä oppimaan saavutetuista tuloksista. Tulevaisuuden kognitiiviset radiojärjestelmät tehostavat taajuuksien yhteiskäyttöä hyödyntämällä hetkellisesti ja paikallisesti vapaina olevia taajuuksia aiheuttamatta alkuperäisille käyttäjille haitallista häiriötä.

Tutkimus esittelee uusia suuntaavia ja hajautettuja taajuuksien käyttöasteen mittauksia 2.4 GHz:n ISM-taajuudella huomioiden tilasuunnan vaikutuksen. Tämä on ensimmäinen tutkimus, joka osoittaa, että taajuuksien käyttöaste voi vaihdella huomattavasti eri paikoissa samalla hetkellä jopa saman toimistotilan sisällä.

Tietoa taajuuksien saatavuudesta kognitivisille radiojärjestelmille voidaan saada usealla tavalla, esimerkiksi kontrollikanavien, tietokantojen ja taajuuksien sensorointitekniikoiden avulla. Menetelmillä on erilaiset ominaisuudet, vaatimukset ja suorituskyvyt. Jotta käytettäisiin sopivia menetelmiä eri tilanteissa, tutkimus ehdottaa uutta taajuuskaistakohtaista lähestymistapaa, jossa menetelmä valitaan kullekin taajuusalueelle riippuen sen käyttötavasta sekä reguloinnin vaatimuksista.

Taajuuksien sensorointia tutkitaan tarkemmin ja esitetään suorituskykyanalyysiä yhdelle algoritmille (Welchin periodogrammi) Rayleigh-häipyvässä kanavassa. Sumeaa yhdistelyä ehdotetaan yhteistyössä tapahtuvaan taajuuksien sensorointiin, jossa usean tahon mittaustulokset yhdistetään, jolloin saadaan parempi suorituskyky häipyvässä ympäristössä. Lisäksi työssä esitetään uusi sääntöpohjainen päätöksentekomenetelmä taajuuksien sensorointitekniikoiden valintaan sisältäen oppimismekanismin. Ehdotettu menetelmä on ensimmäinen kirjallisuudessa esitetty menetelmä sensorointitekniikoiden valintaan. Työssä esitetään lisäksi keskitetty ja hajautettu kanavien jakomenetelmä vapaiden taajuuksien hyödyntämiseen ja jakamiseen eri käyttäjien kesken perustuen harmony search -algoritmiin. Esitettyjä tuloksia voidaan hyödyntää tulevaisuuden matkaviestintäjärjestelmien kehityksessä tuomalla niihin mukaan kogniivisia radiotekniikoita vastauksena kasvaviin datanopeus ja -taajuusvaatimuksiin.


Series: VTT Science
ISSN: 2242-119X
ISSN-E: 2242-1203
ISSN-L: 2242-119X
ISBN: 978-951-38-7943-3
ISBN Print: 978-951-38-7942-6
Issue: 20
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.