Date of Award

11-2014

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Electrical Engineering (MSEE)

Department

Electrical Engineering

First Advisor

Dr. Mohammed Abdel-Hafez

Second Advisor

Dr. Atef Abdrabou

Third Advisor

Dr. Pavel Loskot

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 a 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[1]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 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[1]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, the 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.

Two approaches to wideband spectrum detection are investigated and compared. The first approach is the tunable bandpass filter (TBPF) filter bank. 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 filter bank approach failed to detect the primary user at low probabilities of false alarm when it partially occupied the sub-bands, leading to more interference for the primary user.

Comments

تشكل ندرة الطيف الترددي عائقا أمام تطوير شبكات االتصال الالسلكية من حيث تقديم خدمات جديدة أو تحسين الخدمات الموجودة. إضافة إلى ذلك فإن جدول توزيع الترددات القائم على فكرة تخصيص الترددات الموجودة للمستخدمين المرخصين ) األوليين( بشكل ثابت تزيد من مشكلة ندرة الطيف و عدم كفاءة استخدامه. لذلك تم طرح مبدأ الراديو المعرفي للتغلب على ذلك من خالل السماح للمستخدمين غير المرخصين )الثانويين( باستخدام الترددات المخصصة للمستخدمين األوليين في الوقت الذي تكون فيه متاحة

إن كفاءة و فعالية شبكات الراديو المعرفي تعتمد بشكل أساسي على مرحلة استشعار الطيف الترددي، و التي يتم خاللها الحصول على معلومات عن كثافة استخدام الترددات. لكن دقة استشعار الطيف تتأثر بوجود التظليل اللوغاريتمي. كذلك فإن عدم توفر معلومات كافية عن المستخدم األولي يتطلب استشعار الطيف على النطاق الواسع، و لذلك فإن تطوير تقنيات استشعار للنطاق الواسع ضروري

بداية تناولت هذه األطروحة استشعار الطيف الترددي على النطاق الضيق باستخدام االستشعار الفردي و درست تأثير التظليل اللوغاريتمي على دقة استشعار الطيف . حيث تم اشتقاق معادلة لحساب احتمال استشعار المستخدم األولي في بيئة التظليل اللوغاريتمي و تم اختبار دقتها، و قد أظهرت النتائج أن دقة استشعار الطيف تتدنى في وجود التظليلي اللوغاريتمي. كذلك تناولت مبدأ االستشعار التعاوني المستخدم للتغلب على تأثير التظليل اللوغاريتمي، حيث يتم استشعار الطيف من قبل أكثر من مستخدم ثانوي و من ثم تجميع نتائج االستشعار التخاذ قرار نهائي بخصوص وجود المستخدم األولي أو غيابه. و توجد عدة طرق مستخدمة للجمع بين نتائج االستشعار التعاوني منها طرق التجميع اللينة و تتضمن القانون التربيعي للتجميع و القانون التربيعي لالختيار، و هناك طرق التجميع القاسية. و قد أظهرت النتائج التحسن في دقة استشعار الطيف نتيجة استخدام االستشعار التعاوني خاصة مع زيادة عدد أجهزة االستشعار الثانوية. كما أن طرق التجميع اللينة أظهرت تفوقها على طرق التجميع القاسية، إال أن زيادة تكلفتها و تعقيدها تعطي األفضلية 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 األولي و الطيف المتاح للمستخدم الثانوي. و قد تم تفحص تأثير عدد من العوامل على أداء هذه الطريقة الستشعار الطيف الواسع منها عامل القياس و شكل الطيف و كذلك وجود التظليل اللوغاريتمي. و قد أظهرت النتائج أن دقة االستشعار باستخدام المويجات تزداد مع زيادة قيمة عامل القياس، كما عدد الحواف الخاطئة و يقلل أن وجود التظليلي اللوغاريتمي يؤثر على دقة االستشعار احتمالية اكتشاف الحواف الصحيحة

و قد تم مقارنة أداء طريقتين الستشعار الطيف الترددي على النطاق الواسع: األولى باستخدام مجموعة من مرشحات تمرير الطيف، حيث يقوم كل مرشح باستشعار وجود المستخدم األولي في جزء معين من الطيف الواسع. و الثانية باستخدام طريقة المويجات الموضحة سابقا حيث يتم استشعار المستخدم األولي في مناطق الطيف الواقعة بين الحواف المكتشفة. و قد أظهرت النتائج تفوق طريقة المويجات على طريقة مرشحات تمرير الطيف من خالل قدرتها على اكتشاف وجود المستخدم األولي بدقة، بينما فشلت طريقة المرشحات في استشعار المستخدم األولي في بعض مناطق الطيف المستخدمة بشكل جزئي

Download

Included in

Engineering Commons

COinS