Detection of interdependent multiband systems for cognitive radios and ultra-wideband systems

Abstract

Kablosuz teknolojinin ilerlemesi sonucunda, yeni sistemler önerilmiş ve spektrumda daha fazla frekans bandı kullanılmaya başlanmıştır. Kullanılabilir band sayısının azalması sebebiyle, alternatif teknolojilere ihtiyaç duyulmuş ve son yıllarda iki yeni kablosuz iletişim sistemi ortaya çıkmıştır. Bunlar spekturumu etkili bir şekilde kullanan bilişsel radyolar ve ultra genişband sistemlerdir. Bilişsel radyolar lisanslı sistem aktif olmadığı durumda, lisanslı sistemin frekans bandlarını kullanan fırsatçı radyolardır. Ultra-genişband (UGB) sistemler düşük güç spektral yoğunluğunda iletim yaparlar ve birincil sisteme önemsenecek düzeyde girişim oluşturmazlar. Buna rağmen, dünyadaki spektrum düzenleyici makamlar bu sistemlerin haberleşmeye başlamadan önce birincil sistemin aktif olup olmadığını değerlendirmesini ön koşarlar. Eğer bilişsel radyolar genişband ya da UGB sistemler ise, bilişsel radyolar birincil sistemlerle çoklu frekans bandlarını paylaşırlar. Bu durumda bilişsel radyo veri transferini başlatmadan önce bu bandlarda birlikte varolan bütün birincil sistemlerin tespit edilmesini sağlamalıdır. Bu çalışmada birden fazla birlikte varolan birincil sistem olduğu ve bu birincil sistemlerin aynı zamanda aktif olabileceği varsayılarak geniş bandlı bilişsel radyonun birincil sistem algılama performansı üzerinde çalışılmıştır. Buna göre iki yöntem dikkate alınmıştır: (i) Bağımsız bandlarda aynı anda aktif olan sistemlerin istatistiklerini hesaba katan MAP algılaması(birlikte algılama) (ii) Her bandda bağımsız şekilde eşik değerlerini optimize eden Neyman-Pearson (NP) testi yaklaşımlı algılama (bağımsız algılama). Bağımsız algılamanın daha kolay uygulamasında, optimum NP testi algılama sonuçlarına ulaşmak için birlikte algılamada elde edilen eşik değerlerinin kullanıldığı gösterilmiştir. Değişik senaryolarda yanlış alarm ve algılama olasılıkları türünden birlikte algılamanın bağımsız algılamaya göre kazancının sayısallaştırılmasına ek olarak bilişsel radyonun girişim yaratmadan çalışabilme özellikleri yüzdelik zaman dilimi cinsinden sunulmuştur. Bu sonuçlar, birincil sistemlerin birbirine bağımlı olduğunun bilindiği durumlarda, çoklu band algılanmasının pratik uygulaması için önemlidir.

As a result of advances in the wireless technology, new systems have been proposed, and hence, more frequency bands are occupied in the spectrum. Therefore, the number of available frequency bands for future wireless communication systems is decreasing and alternative communication technologies are needed. Because of this demand, two new wireless communication technologies have appeared in recent years. These are cognitive radio and ultra wideband systems, which use the spectrum more efficiently. Cognitive radios (CRs) are opportunistic radios, which can use the frequency bands of a licensed system if the licensed system is not active. Ultra-wideband (UWB) systems transmit at a very low power spectral density level, and generate insignificant interference level to primary systems. However, regulatory agencies worldwide require these systems to assess the presence of primary systems before starting communications. If the CR is a wideband or a UWB system, then the CR may be sharing multiple frequency bands with primary systems. In that case, the CR should ensure all the coexisting primary systems in these bands are detected before itcan start data transmission. In this thesis, we study the primary system detection performanceof a wideband CR assuming that there are {/it multiple} coexisting primary systems and thatthese primary systems may be {/it jointly active}. Accordingly, we consider the implementation of two detection methods:(i) a maximum a posteriori (MAP) based detection (i.e., joint detection) that takes into accountthe statistics of simultaneously operating systems in independent bands, and (ii) a Neyman-Pearson(NP) test based detection that optimizes the threshold values independently in each band (i.e.,independent detection). For a simpler implementation of the independent detection, we show thatthe threshold values obtained from joint detection can be used in order to achieve the optimum NP testbased independent detection results. In addition to quantifying the gain of joint detection over independent detection in terms ofprobabilities of false alarm and detection for practical scenarios, we also presentthe operation capability of CRs in terms of the fractions of time the CR can access the channelwithout interfering with the primary systems. The results are important for the practical implementationof multiband detection when the primary systems are known to be interdependent.