University of Oulu

Coordination and adaptation techniques for efficient resource utilization in cognitive radio networks

Saved in:
Author: Khan, Zaheer
Organizations: University of Oulu, Faculty of Technology, Department of Communications Engineering
University of Oulu, Faculty of Technology, Centre for Wireless Communications
University of Oulu, Infotech Oulu
Format: eBook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 2.6 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789514295980
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2011
Publish Date: 2011-11-08
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Faculty of Technology of the University of Oulu for public defence in OP-sali (Auditorium L10), Linnanmaa, on 18 November 2011, at 12 noon
Tutor: Professor Matti Latva-aho
Reviewer: Professor Lorenzo Mucchi
Associate Professor Allen B. MacKenzie
Description:

Abstract

The aim of this thesis is to devise coordination and adaptation techniques that enable the wireless devices operating in a cognitive network to utilize their available resources efficiently. The first part of this thesis considers the case where multiple autonomous devices sense the frequency channels sequentially in some sensing order for spectrum opportunities. In particular, the first part is interested in the scenario where devices with false alarms autonomously select the sensing orders in which they visit channels, without coordination from a centralized entity. An adaptive persistent sensing order selection strategy that allows autonomous adaptations to collision-free sensing orders is proposed and evaluated. It is shown that the proposed strategy converges and maximizes cognitive network throughput compared to a random selection of sensing orders.

The second part of this thesis considers the case where distributed devices interact with one another to cooperate to fulfill tasks or to improve the efficiency of network resource usage. Tools from coalition formation game theory are adopted to devise dynamic cooperative strategies for distributed devices. Dynamic coalition formation methods, are proposed for two different network scenarios: 1) Distributed devices operating in an interference channel; 2) Distributed devices performing spectrum sensing. It is observed that in distributed spectrum sensing if the devices pursue their goals selfishly then coalition formation may lead to a suboptimal equilibrium where devices, through their interactions, reach an undesirable coalition structure from a network point of view. The proposed selfish model of dynamic coalition formation is then extended to determine whether and how the coalitional behavior of devices will change if coalition formation is ''not entirely selfish''. It is observed that for the problem of distributed spectrum sensing, average throughput per device is increased when devices cooperate to maximize the overall gains of the group as compared to when they cooperate to increase their individual gains.

Finally, in the last part of the thesis, to reduce spectrum sensing overhead and total energy consumption of a cognitive radio network, the problem of sensor selection is considered. Different techniques for selecting devices with the best detection performance are proposed, and it is shown that the proposed device selection methods are able to offer significant gains in terms of system performance as compared to a random selection of devices.


Tiivistelmä

Tämän työn tavoitteena oli kehittää koordinointi- ja adaptointimenetelmiä, jotka mahdollistavat langattomien laitteiden toiminnan kognitiivisessa verkossa ja tarjolla olevien resurssien tehokkaan käytön. Työn ensimmäisessä osassa käsitellään tapausta, jossa useat itsenäiset laitteet havainnoivat taajuuskanavien spektriominaisuuksia sekventiaalisesti jossakin järjestyksessä. Ensimmäisessä osassa ollaan erityisesti kiinnostuneita skenaariosta, jossa virheellisen hälytyksen antava laite automaattisesti valitsee kanavien havainnointijärjestyksen, joka tapahtuu ilman keskusyksikön koordinointia. Tässä työssä ehdotetaan ja evaluoidaan adaptiivinen jatkuva havainnointijärjestyksen valintastrategia, joka sallii itsenäisen sopeutumisen törmäysvapaaseen havainnointijärjestykseen. Osoitetaan, että ehdotettu strategia suppenee ja maksimoi kognitiivisen verkon kapasiteetin verrattuna satunnaiseen havainnointijärjestysten valintaan.

Työn toisessa osassa pohditaan tilannetta, jossa hajautetut laitteet vuorovaikuttavat keskenään yhteistyössä suorittaakseen tehtäviään tai parantaakseen verkon resurssien käytön tehokkuutta. Peliteoreettisia työkaluja koalitioiden muodostamiseen mukautetaan dynaamisten yhteistoiminnallisten strategioiden laatimiseen hajautetuille laitteille. Dynaamisia koalitioiden muodostamismenetelmiä ehdotetaan kahteen erilaiseen verkkoskenaarioon: 1) hajautetut laitteet toimivat häiriöllisessä kanavassa, 2) hajautetut laitteet suorittavat spektrin havainnointia. Havaitaan, että jos hajautetussa spektrin havainnoinnissa laitteet tavoittelevat päämääriään itsekkäästi, niin koalitioiden muodostaminen voi johtaa alioptimaaliseen tasapainotilaan, jossa laitteet keskinäisen vaikutuksensa kautta saavuttavat verkon näkökulmasta epätoivotun koalitiorakenteen. Ehdotettua itsekästä mallia dynaamiseen koalitioiden muodostamiseen laajennetaan ottamaan selville, miten laitteiden koalitiokäyttäytyminen muuttuu, jos koalitioiden muodostaminen ei ole täydellisen itsekästä. Havaitaan, että hajautetun spektrin havainnoinnin probleemassa, keskimääräinen laitekohtainen kapasiteetti kasvaa kun laitteet tekevät yhteistyötä maksimoidakseen ryhmän kokonaishyödyn verrattuna siihen, jos ne tekevät yhteistyötä lisätäkseen yksittäisiä etujaan.

Työn viimeisessä osassa pohditaan sensorien valintaongelmaa. Siinä ehdotetaan erilaisia menetelmiä, jotka valitsevat parhaan suorituskyvyn omaavat laitteet ja näytetään, että ehdotetut laitteiden valintamenetelmät pystyvät tarjoamaan merkittäviä suorituskykyetuja verrattuna satunnaiseen laitteiden valintaan.


Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-951-42-9598-0
ISBN Print: 978-951-42-9597-3
Issue: 395
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.