Date of Award

5-2015

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Electrical Engineering (MSEE)

Department

Electrical Engineering

First Advisor

Dr. Mohammed Abdel-Hafez

Abstract

The goal of this thesis is to study performance of cognitive radio networks in terms of total spectrum utilization and throughput of secondary networks under perfect and imperfect sensing for Additive White Gaussian Noise (AWGN) and fading channels. The effect of imperfect sensing was studied by applying non-collaborative and collaborative sensing techniques using energy detecting and square law combining techniques, respectively. Spectrum allocation for heterogeneous networks in cognitive radio networks was discussed and a new sharing algorithm that guarantee Quality of Service (QoS) for different secondary users’ applications was proposed. The throughput degradation of secondary users due to the activities of the primary users was explored by varying the arrival rate of the primary users in a given spectrum band. Computer simulation showed that increasing the primary user’s activity will increase the total spectrum utilization but decreases the secondary users’ throughput simultaneously. The effect of the received Signal to Noise Ratio (SNR) of the primary user on the cognitive radio network performance is studied in which, a high SNR of primary users led to a higher throughput of secondary network in AWGN channels compared to Nakagami fading channels. The effect of applying cooperative sensing is also presented in this thesis. As we increased the number of cooperating sensors, the network throughput increased which proves the advantage of applying cooperative sensing. A spectrum allocation algorithm for heterogeneous network model is developed to study the QoS assurance of secondary users in cognitive radio networks. The system performance of the heterogeneous network was investigated in terms of the total spectrum utilization. It is found that, higher number of secondary users, better channel’s condition and low required QoS of applications would increase the spectrum utilization significantly. vii In this thesis, the proposed allocation algorithm was applied to the heterogeneous cognitive radio model and its performance was compared to the First Come First Served (FCFS) algorithm in both AWGN and fading channels. The proposed algorithm provided a higher average SNR and spectrum utilization than FCFS algorithm and guaranteed the QoS requirement for applications of secondary users. The effect of imperfect sensing on the system performance was investigated, and it was shown that, as the probability of detection increases the total applications’ data rate increases significantly. The proposed algorithm guaranteed the QoS requirement for each application of secondary users. The effect of imperfect sensing on the system performance was investigated, and it was shown that, as the probability of detection increases the total data rate increases significantly.

Arabic Abstract

الهدف من هذه الأطروحة هو دراسة أداء الشبكات الراديوية الإدراكية من حيث إجمالي استغلال الطيف وإنتاجية الشبكات الثانوية الإدراكية باستخدام الاستشعار المثالي وغير المثالي في القنوات ذات الضجيج الأبيض المضاف والقنوات ذات توزيعي رايلي وناكاجامي. تمت دراسة تأثير الاستشعار غير المثالي بنوعيه التعاوني وغير التعاوني باستخدام تقنيتي كاشف الطاقة وموحد القانون-التربيعي. تمت مناقشة تخصيص الطيف للشبكات غير المتجانسة في الشبكات الراديوية الإدراكية وتم اقتراح خوارزمية توزيع جديدة تضمن جودة الخدمة للتطبيقات المختلفة للمستخدمين الثانويين. تم استكشاف التدهور في الإنتاجية للمستخدمين الثانويين بسبب نشاط المستخدمين الأساسيين من خلال تغيير معدل وصول المستخدمين الأساسيين في نطاق طيفي معين، وأظهرت المحاكاة الحاسوبية أن زيادة نشاط المستخدمين الرئيسيين تؤدي إلى استغلال أعلى للطيف ولكن تؤدي لنقص إنتاجية المستخدمين الثانويين في نفس الوقت.

في هذه الأطروحة أيضاً، تمت دراسة تأثير معدل الإشارة إلى الضوضاء للمستقبل من المستخدمين الرئيسيين على أداء الشبكات الراديوية الإدراكية وتم الوصول إلى أن معدل أعلى لنسبة الإشارة إلى الضوضاء يؤدي إلى إنتاجية أعلى في الشبكات الثانوية في القنوات ذات الضجيج الأبيض المضاف مقارنة مع القنوات ذات توزيعي رايلي. عند زيادة عدد أجهزة الاستشعار تم الحصول على إنتاجية أعلى للشبكة مما يثبت مدى الاستفادة من الاستشعار التعاوني. تم تطوير خوارزمية تخصيص الطيف لنموذج الشبكة غير متجانسة التطبيقات لدراسة جودة الخدمة للمستخدمين الثانويين في الشبكات الراديوية الإدراكية. تم تطبيق خوارزمية التوزيع وتمت مقارنة أدائها في القنوات ذات الضجيج الأبيض المضاف والقنوات ذات توزيعي رايلي. تم الحصول على معدل أعلى لنسبة الإشارة إلى الضجيج واستغلال للطيف باستخدام الخوارزمية المقترحة وذلك مع ضمان جودة الخدمة لكل تطبيق للمستخدمين الثانويين. تم أيضاً في هذه الأطروحة دراسة تأثير الاستشعار غير المثالي في أداء النظام وتبين أن الزيادة في احتمالية اكتشاف المستخدمين الأوليين ترفع معدل البيانات للتطبيقات بشكل ملحوظ.

Download

Included in

Engineering Commons

COinS