NARROWBAND AND WIDEBAND SPECTRUM SENSING FOR COGNITIVE RADIO NETWORKS IN A LOG-NORMAL SHADOWING ENVIRONMENT
تشكل ندرة الطيف الترددي عائق ا أمام تطوير شبكات الاتصال اللاسلكية من حيث تقديم خدمات جديدة أو تحسين الخدمات الموجودة. إضافة إلى ذلك فإن جدول توزيع الترددات القائم على فكرة تخصيص الترددات الموجودة للمستخدمين المرخصين ) الأوليين( بشكل ثابت تزيد من مشكلة ندرة الطيف و عدم كفاءة استخدامه. لذلك تم طرح مبدأ الراديو المعرفي للتغلب على ذلك من خلال السماح للمستخدمين غير المرخصين )الثانويين( باستخدام الترددات المخصصة للمستخدمين الأوليين في الوقت الذي تكون فيه متاحة. إن كفاءة و فعالية شبكات الراديو المعرفي تعتمد بشكل أساسي على مرحلة استشعار الطيف الترددي، و التي يتم خلالها الحصول على معلومات عن كثافة استخدام الترددات. لكن دقة استشعار الطيف تتأثر بوجود التظليل اللوغاريتمي. كذلك فإن عدم توفر معلومات كافية عن المستخدم الأولي يتطلب استشعار الطيف على النطاق الواسع، و لذلك فإن تطوير تقنيات استشعار للنطاق الواسع ضروري. بداية تناولت هذه الأطروحة استشعار الطيف الترددي على النطاق الضيق باستخدام الاستشعار الفردي و درست تأثير التظليل اللوغاريتمي على دقة استشعار الطيف . حيث تم اشتقاق معادلة لحساب احتمال استشعار المستخدم الأولي في بيئة التظليل اللوغاريتمي و تم اختبار دقتها، و قد أظهرت النتائج أن دقة استشعار الطيف تتدنى في وجود التظليلي اللوغاريتمي. كذلك تناولت مبدأ الاستشعار التعاوني المستخدم للتغلب على تأثير التظليل اللوغاريتمي، حيث يتم استشعار الطيف من قبل أكثر من مستخدم ثانوي و من ثم تجميع نتائج الاستشعار لاتخاذ قرار نهائي بخصوص وجود المستخدم الأولي أو غيابه. و توجد عدة طرق مستخدمة للجمع بين نتائج الاستشعار التعاوني منها طرق التجميع اللينة و تتضمن القانون التربيعي للتجميع و القانون التربيعي للاختيار، و هناك طرق التجميع القاسية. و قد أظهرت النتائج التحسن في دقة استشعار الطيف نتيجة استخدام الاستشعار التعاوني خاصة مع زيادة عدد أجهزة الاستشعار الثانوية. كما أن طرق التجميع اللينة أظهرت تفوقها على طرق التجميع القاسية، إلا أن زيادة تكلفتها و تعقيدها تعطي الأفضلية لطرق التجميع القاسية. و من ناحية أخرى، تمت دراسة استشعار الطيف الترددي على النطاق الواسع باستخدام طريقة المويجات القائمة على كشف الحواف الموجودة في الطيف. هذه الحواف تمثل الفواصل بين مناطق الطيف المستخدم من قبل المستخدم الأولي و الطيف المتاح للمستخدم الثانوي. و قد تم تفحص تأثير عدد من العوامل على أداء هذه الطريقة لاستشعار الطيف الواسع منها عامل القياس و شكل الطيف و كذلك وجود التظليل اللوغاريتمي. و قد أظهرت النتائج أن دقة الاستشعار باستخدام المويجات تزداد مع زيادة قيمة عامل القياس، كما ix أن وجود التظليلي اللوغاريتمي يؤثر سلبا على دقة الاستشعار حيث يزيد من عدد الحواف الخاطئة و يقلل احتمالية اكتشاف الحواف الصحيحة. و قد تم مقارنة أداء طريقتين لاستشعار الطيف الترددي على النطاق الواسع: الأولى باستخدام مجموعة من مرشحات تمرير الطيف، حيث يقوم كل مرشح باستشعار وجود المستخدم الأولي في جزء معين من الطيف الواسع. و الثانية باستخدام طريقة المويجات الموضحة سابق ا حيث يتم استشعار المستخدم الأولي في مناطق الطيف الواقعة بين الحواف المكتشفة. و قد أظهرت النتائج تفوق طريقة المويجات على طريقة مرشحات تمرير الطيف من خلال قدرتها على اكتشاف وجود المستخدم الأولي بدقة، بينما فشلت طريقة المرشحات في استشعار المستخدم الأولي في بعض مناطق الطيف المستخدمة بشكل جزئي
Abstract
The efficiency of cognitive radio networks mainly depends on the spectrum sensing stage, in which spectrum opportunities are exploited. However, one of the challenges facing spectrum sensing is the presence of fading and log-normal shadowing. Moreover, when the spectrum utilization is high and details regarding primary user activity are not available, a need to sense the whole spectrum arises. Hence, developing wideband spectrum sensing technique is a fundamental concern. In this thesis a narrowband spectrum sensing in a log-normal shadowing environment is addressed, a closed-form expression for the probability of detection under shadowing is derived. The accuracy of the expression is tested using a MATLAB simulation. Collaborative spectrum sensing is addressed, and expressions for the probability of detection and false alarm in both AWGN channels and log-normal channels are derived for different fusion rules namely; soft fusion using square-law selection (SLS), square-law combining (SLC), hard fusion using OR, AND and Majority combining. The detection performance of these fusion rules is tested and compared. Simulation results showed that sensing performance is enhanced due to collaboration and better detection is achieved with more collaborative secondary users. Moreover, SLC outperforms SLS in terms of the probability of detection. OR-combining is found to outperform both AND-combining and Majority-combining from the primary user’s point of view by providing higher protection for the primary user from any secondary user interference; while AND-combining is found to outperform the other two techniques, from the secondary user perspective, as it results in higher spectrum utilization and more spectrum opportunities. Wideband spectrum sensing using wavelet-based detection is investigated. The performance of this method and the effect of parameters such as the scale factor of the wavelet smoothing function, collaboration between secondary users in edge detection and the presence of log-normal shadowing is investigated and analyzed using MATLAB simulation. Simulation results indicate that better edge detection was achieved at higher scale factor values. Log-normal shadowing affected the accuracy of edge detection since it attenuates the average power received at the secondary user, and adds random variations at the same time as detecting false edges. vii Two approaches to wideband spectrum detection are investigated and compared. The first approach is the tunable bandpass filter (TBPF) filterbank. The second approach is a proposed model using wavelet-based detection. Simulation results indicate that the proposed approach performed better in terms of spectrum occupancy and utilization as it accurately detected the primary user signal. While the TBPF filterbank approach failed to detect the primary user at low probabilities of false alarm when it partially occupied the subbands, leading to more interference for the primary user. Keywords: