SUPERVISOR
Ali-Mohamad Doost-Hoseini
علی محمد دوست حسینی (استاد راهنما)
STUDENT
Mahboobeh Mohammadi eshkaftaki
محبوبه محمدی اشکفتکی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
A study on methods for cooperative spectrum sensing based on data/decision fusion in cognitive radio
The increasing demands for spectrum resources, the limited available spectrum and the inefficiency in the spectrum allocation necessitate a new communication paradigm to exploit the existing wireless spectrum opportunistically. Cognitive radio (CR) has been proposed in recent years to promote the spectrum utilization by exploiting the existence of spectrum holes, i.e., channels not used by any primary (licensed) users. The CR nodes must constantly sense the spectrum in order to detect the presence of the Primary Radio (PR) nodes and use the spectrum holes without causing harmful interference to the PRs. Cooperative spectrum sensing in which different CRs interact with each other, has been proposed as an alternative and efficient solution to the problems posed by multipath fading, shadowing and hidden node problem in single node spectrum sensing methods. It also improves the probability of false alarm and the probability of miss-detection which are achieved via the exploitation of spatial diversity among the CRs. This thesis investigates the problem of cooperative spectrum sensing in cognitive radios considering the radiation pattern of the primary transmitter. In other words, we assume that the primary transmitter is equipped with a directional antenna whose beam-angle is to be estimated. We also assume that additional information regarding the approximate location of the primary transmitter, as well as, the distribution of the receivers is available. Spectrum sensing is done through sensing and reporting channels. To take advantage of cooperation, CR nodes need a common reporting channel to transmit their local observations / decisions to a common receiver known as the Fusion Center. When the number of secondary nodes increases, the reporting channel will be impaired. Cluster-based cooperative spectrum sensing, which divides nodes into different groups with the same fading, tries to overcome this problem. Upon a spectrum sensing request, an initial primary transmitter presence is assessed through the nodes that received higher energies. Knowing the locations of these nodes, we use two well-defined fitness functions and genetic algorithm optimization, to approximate the area of primary radiation as a sector. In later stages, spectrum sensing will be performed via the nodes in this sector, named optimum detection cluster. Thus, in addition to the improvement in detecting licensed users, the cost for deploying numerous unnecessary nodes is reduced. Deployment of directional antennas by secondary users, enables them to communicate with the corresponding receivers outside the primary radiation sector, increasing the hole utilization factor considerably. Simulation results show the performance of our proposed method in comparison with conventional methods.
افزایش روز افزون نیاز به منابع طیفی همزمان با رشد روز افزون تکنولوژی و با توجه به محدودیت دسترسی به طیف و موثر نبودن سیاست‌های فعلی تخصیص طیف نیاز به تکنولوژی‌ای را که بتواند به صورت فرصت طلبانه از منابع طیفی استفاده کند، تشدید می‌کند. رادیوی شناختگر به عنوان یک تکنولوژی جدید به منظور استفاده بهینه از طیف برای اولین بار در سال 1999 توسط میتلا معرفی شد. ایده اصلی در رادیوی شناختگرتمهید اشتراک منابع و استفاده پویا از طیف فرکانسی است. بنابراین یکی از وظایف بسیار مهم رادیوی شناختگر، طیف‌سنجی به منظور یافتن حفره‌های طیفی و جلوگیری از ایجاد تداخل با کاربر دارای مجوز است. از آنجاییکه آشکارسازی حفره‌های طیفی، معمولا به علت وجود عواملی چون پدیده محوشدگی چندمسیری، سایه‌افکنی و وجود ترمینال‌های مخفی آشکارسازی سیگنال‌های اولیه افت عملکرد خواهد داشت، برای مقابله با این افت عملکرد روش‌های طیف‌سنجی همکارانه معرفی می‌شوند. ترکیب نتایج آشکارسازی و یا مشاهدات رادیو‌های شناختگر، گره‌های ثانویه، مختلف و اخذ تصمیم نهایی صحیح توسط مرکز ادغام، لازمه بهبود عملکرد رادیوی شناختگر است. سیگنال‌های دریافتی در مرکز ادغام می تواند حامل مشاهدات و یا تصمیم‌‌های گره‌ها باشد. در حالت ادغام مشاهدات کلیه گره‌ها بدون اخذ هرگونه تصمیمی تنها مشاهدات خود را به مرکز ادغام ارسال کرده و مرکز با بکارگیری روش‌های مختلف ادغام مشاهدات تصمیم نهایی را اتخاذ می‌کند. در حالت دوم کلیه گره‌ها تصمیم خود مبنی بر پر یا خالی بودن باند فرکانسی مورد نظر را با استفاده از رشته‌ای از بیت‌ها به مرکز ارسال کرده و مرکز با انتخاب یکی از قانون‌های ادغام تصمیم‌گیری‌ها، تصمیم نهایی را به گره‌ها اعلام می‌کند. طیف‌سنجی از طریق دو کانال سنجش و گزارش صورت می‌گیرد که کانال گزارش توسط گره‌ها برای ارسال مشاهدات و یا تصمیم گیری‌ها استفاده می‌شود. زمانی که تعداد گره‌های ثانویه افزایش می‌‌یابد، کانال گزارش دچار اختلال خواهد شد. روش سنجش همکارانه مبتنی بر خوشه بندی با تقسیم کاربران ثانویه با محوشدگی یکسان در گروه‌های مختلف سعی می‌کند که این مشکل را بر طرف نماید. از طرفی درسال‌های اخیر با بکارگیری تکنیک‌های بکار رفته در سیستم‌های چند آنتنه مانند سیستم‌های چند ورودی - چند خروجی، روش‌های سنجش طیف و روش‌های مختلف ادغام اطلاعات و یا تصمیم‌گیری‌ها به منظور سنجش سریعتر و مطمئن‌تر طیف بهره گرفته می‌شود. در این تحقیق علاوه بر فرض آگاه بودن از محدوده تقریبی قرارگیری و ارسال فرستنده اولیه و توزیع گره‌ها در این ناحیه، فرض می‌شود که مدل انتشاری فرستنده اولیه در یک جهت خاص متمرکز بوده و یا به عبارتی دارای مدل انتشاری غیر یکنواخت باشد. بعد از یک مرحله درخواست طیف‌سنجی در صورت حضور کاربر دارای مجوز، با تعیین گره‌هایی که بیش‌ترین دریافت انرژی را از سمت این کاربر داشته‌اند و با تعریف دو تابع برازندگی مناسب و بهینه سازی آن‌ها با استفاده از الگوریتم ژنتیک، محدوده تقریبی ارسال سیگنال کاربر اولیه به صورت یک قطاع تعیین می‌شود. در نهایت در مراحل بعدی طیف‌سنجی تنها از گره‌های واقع در خوشه تقاضای طیف‌سنجی صورت می‌گیرد و به این ترتیب علاوه بر کسب نتایج بهتر در آشکارسازی کاربر دارای مجوز، از هزینه‌های سیستم شناختگر برای استقرار گره‌ها در کل فضا کاسته می‌شود. همچنین در صورت تجهیز کاربران ثانویه به آنتن‌های جهت دار، امکان ارتباط فرستنده مزبور با گیرنده متناظر غیر واقع در قطاع انتشار کاربر اولیه فراهم و راندمان استفاده از حفره‌های طیفی سه برابر می‌شود. کلمات کلیدی: 1- ادغام اطلاعات 2- الگوریتم ژنتیک 3- خوشه بندی 4- طیف‌سنجی همکارانه