SUPERVISOR
Ehsan Yzdian,Ali-Mohamad Doost-Hoseini
احسان یزدیان (استاد راهنما) علی محمد دوست حسینی (استاد مشاور)
STUDENT
Nariman Abdi
نریمان عبدی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391
TITLE
Cooperative Users Selection in Spectrum Sensing of Cognitive Radio Networks Based on Random Matrix Theory
Developments in wireless communication systems and increasing demand for data transmission, cause push communication systems to acquire more and more spectral resources. Thus, fixed spectrum allocation is not an efficient technique for new communication networks. Cognitive radio is a novel solution to overcome this limitation. Users in cognitive radio networks are secondary users (SU) who utilize spectrum opportunities for communication in the absence of a primary user (PU) who is the licensed owner of a frequency band. In this thesis, we investigate the spectrum sensing challenges in cognitive radio networks. Knowledge about PUs presence/absence is a key problem because missing a PU results in interference and jeopardizes its performance. Beginning with single user spectrum sensing methods, we show that the cooperative spectrum sensing outperforms the former approach considerably. Then we study challenges of cooperative spectrum sensing in cognitive radio networks. Cooperative spectrum sensing methods utilize more available resource e.g. bandwidth and power. We describe local sensing methods like energy, cyclostationary and eigenvalue based detection that are used in cooperative spectrum sensing in cognitive radio networks and evaluate their advantages and short comings. Among these schemes, energy detection and eigenvalue based methods, need no information about PU signal. Energy detection is the simplest one but it needs the noise variance and shows poor performance if the estimated noise power is inaccurate, Therefore it is not efficient for practical systems with a low PU SNR regime e.g. received SNR is about -20dB from a wireless microphone operating in TV bands several hundred meters away. Random matrix theory is a modern solution for complicated stochastic problems which studies stochastical behavior of random matrix. Random matrix theory provides asymptotical solutions to evaluate detection threshold. In this work we introduce popular random matrix like Gaussian matrix and Wishart matrix and study statistical distribution of random matrix eigenvalues and their extremes. We analyze the eigenvalue based spectrum sensing methods after the random matrix theory descriptions. In a cognitive radio network, detection perforamance could be enhanced by increasing number of cognitive users, however, more available resources like bandwidth and power are needed. On the other hand, increasing the number of SUs leads to better performance of cooperative spectrum sensing, however, total probability of error has a lower bound and increasing the number of SUs cannot decrease the bound further. Due to this tradeoff between detection performance and available resource usage, we investigate optimum number of cognitive users for cooperation and show that the maximal cooperation in spectrum sensing is not optimal. However, it is very important to select the appropriate set of these users for cooperative spectrum sensing. Due to this issue, user selection algorithms are investigated and a new one is proposed. We show that it outperforms random selection algorithm and decreases the computational complexity of eigenvalue based methods. We find the optimum number of users for cooperative spectrum sensing via Monte-Carlo simulations in MATLAB for several scenarios and show the improvement. Keywords ; Cooperative spectrum sensing, Random matrix theory, Eigenvalue based spectrum sensing, User selection, Cognitive radio
توسعه سیستمهای مخابراتی بیسیم و افزایش تقاضا برای انتقال اطلاعات موجب افزایش نیاز سیستمهای مخابراتی به دسترسی بیشتر به طیف فرکانسی شده است و بنابراین تخصیص طیف فرکانسی به صورت ثابت نمیتواند به عنوان روشی مفید برای شبکههای مخابراتی نوین به کار برده شود. رادیو شناختگر راهکار نوینی برای غلبه بر این محدودیت است. کاربرانی که در شبکه رادیو شناختگر در حال فعالیت هستند به عنوان کاربران ثانویه شناخته میشوند. این کاربران به شکلی فرصتطلبانه از غیاب کاربر اولیه، که مجوز استفاده از طیف فرکانسی را دارد، استفاده کرده و در طیف مذکور به فعالیت میپردازند. در این پایاننامه به بررسی چالش سنجش طیف در شبکههای رادیو شناختگر پرداخته خواهد شد. سنجش طیف یکی از کلیدیترین بخشهای عملکرد رادیو شناختگر است چرا که فرآیند سنجش طیف نادرست و غیردقیق منجر به تشخیص نادرست حضور کاربر اولیه و در نتیجه اختلال در شبکه اولیه خواهد شد. در این پایاننامه پس از بررسی روشهای تک کاربری و همکارانه با تأکید بر این موضوع که روش سنجش طیف همکارانه عملکرد بهتری نسبت به روش تک کاربری دارد چالشهای مختلف پیش روی سنجش طیف همکارانه مورد بررسی و ارزیابی قرار میگیرد. در ادامه به شرح روشهای سنجش و آشکارسازی محلی مورد استفاده در شبکههای رادیو شناختگر مانند آشکارسازی انرژی، ایستان گردشی و مقادیر ویژه، با رویکرد سنجش طیف همکارانه، پرداخته و سپس به ارزیابی معایب و مزایای این روشها خواهیم پرداخت. از میان این روشها، روش آشکارسازی انرژی و مقادیر ویژه به هیچ اطلاعات اولیهای از سیگنال کاربر اولیه نیاز نداشته و هرچند روش آشکارسازی انرژی سادهترین روش موجود است ولی به دلیل وابستگی به آمارگان واریانس نویز برای کاربردهای عملی با نسبت سیگنال به نویز پایین مانند میکروفونهای بیسیم دارای عملکرد ضعیفی است. توصیف روشهای آشکارسازی مبتنی بر مقادیر ویژه، پس از بیان مقدمهای درباره نظریه ماتریسهای تصادفی، صورت خواهد گرفت. نظریه ماتریس تصادفی رهیافتی نوین در حل مسائل آماری است که به بررسی رفتار آماری ماتریسهای تصادفی مانند ماتریس گوسی و ماتریس ویشارت و مقادیر ویژه و منفرد آنها پرداخته و از این راه دریچهای برای حل مسائل پیچیده باز می کند. در این پایاننامه به بررسی توزیع مقادیر ویژه ماتریسهای تصادفی خاص و توزیع کرانهای آنها پرداخته و از طریق رهیافت به دست آمده به ارزیابی روشهای مبتنی بر مقادیر ویژه میپردازیم. پس از ارزیابی روشهای مبتنی بر مقادیر ویژه به بررسی چالش بسیار مهم محدودیت منابع موجود پرداخته و نشان داده خواهد شد با وجود اینکه عملکرد آشکارساز با هرچه بیشتر شدن مشارکت کاربران ثانویه در فرآیند سنجش بهتر میشود ولی مشارکت حداکثری کاربران ثانویه در فرآیند سنجش طیف مطلوب و مناسب نیست و احتمال خطا هیچگاه از حد پایینی خود کمتر نمیشود. از طرفی با افزایش تعداد کاربران ثانویه منابع موجود بیشتری مانند توان و پهنای باند مورد استفاده قرار میگیرند. به همین دلیل برای برقراری موازنهای بین عملکرد آشکارساز و مصرف منابع موجود تعداد بهینه کاربران ثانویه را به گونهای که این موازنه را برقرار کنند به دست میآوریم. علاوه بر این، توجه به این نکته بسیار حائز اهمیت است که کدام مجموعه از کاربران ثانویه باید در فرآیند سنجش طیف شرکت کنند و لذا مسئله مهم انتخاب کاربران برای شرکت در فرآیند سنجش طیف مطرح میشود. بنابراین الگوریتمهای مختلف انتخاب کاربران را مورد بررسی قرار داده و الگوریتم جدیدی معرفی خواهیم نمود و نشان میدهیم که انتخاب کاربران توسط الگوریتم مورد نظر نسبت به روش انتخاب تصادفی کاربران بهتر عمل میکند. در ادامه با کمک شبیهسازی MATLAB، تعداد بهینه کاربران برای شرکت در فرآیند سنجش را در سناریوهای گوناگون شبیهسازی به دست آورده و بهبود عملکرد آن را نشان خواهیم داد. کلمات کلیدی : سنجش طیف همکارانه، نظریه ماتریسهای تصادفی، آشکارسازی مقادیر ویژه، انتخاب کاربران، رادیو شناختگر