During the past years wireless communications have been exhibiting an increased growth rendering them the most common way for communication. The continuously increasing demand for wireless services resulted in limited availability of the wireless spectrum. To this end, Cognitive Radio (CR) techniques have been proposed in literature during the past years. The concept of CR approach is to utilize advanced radio and signal-processing technology along with novel spectrum allocation policies to enable new unlicensed wireless users to operate in the existing occupied spectrum areas without degrading the performance of the existing licensed ones. Moreover, the broadcast and fading nature of the wireless channel results in severe degradation on the performance of wireless transmissions. A solution to the problem is the use of multiple-antenna systems so as to achieve spatial diversity. However, in many cases, the communication devices' nature permit the support of multiple antennas due to size, power consumption, and hardware limitations. To this end, cooperative communications provide an alternative way to achieve spatial diversity via virtual antenna arrays formed by single antenna nodes. It is noteworthy that cooperation has an important role within the CR literature as many techniques developed within its context exploiting the benefits of cooperation in order to achieve improved performance. Therefore, the aim of the present dissertation is to develop efficient and practical cognitive, cooperative and cognitive cooperative schemes. More specifically the contributions are the following ones. The first contribution is a novel CR communication scheme. During the past years numerous CR communication schemes have been presented in literature. To the best of our knowledge, the majority of them were developed assuming perfect Channel State Information (CSI) at the unlicensed user's side. There are several cases where the licensed users do not desire any interaction with the unlicensed ones. In such cases, the assumption that the unlicensed user can obtain CSI that concerns the licensed user channels is not valid and as a result the corresponding communication technique cannot be applied. Therefore, at first we propose an novel CR communication scheme that requires CSI that can be estimated in a completely blind manner. Then, the corresponding blind estimation scheme is developed. Another significant contribution is the theoretical results that have been derived for both the perfect CSI case and the imperfect CSI case (when the blind estimation scheme is employed for obtaining the corresponding CSI). Especially, the theoretical results that concern the imperfect CSI case are some of the first ones that appear in the relevant literature, to the best of our knowledge. The second contribution is a decentralized adaptive Eigenvalue-Based spectrum Sensing (EBSS) technique for multi-antenna CR Systems. Spectrum Sensing is a fundamental functionality in CR systems. In general, the unlicensed user employs a spectrum sensing technique in order to detect licensed user(s) activity in scenarios where the former user is permitted to establish a communication link only via spectrum areas that are temporarily free of the latter one's transmissions. EBSS techniques are known to achieve good performance and also to be applicable in a completely blind manner. In the literature so far, only batch and centralized cooperative EBSS techniques have been considered which, however, suffer from limitations that render them impractical in several cases such as, when time-varying channels are involved or continuous spectrum monitoring is required. Thus, the aim here is to develop practical cooperative adaptive versions of typical Eigenvalue-Based Spectrum Sensing (EBSS) techniques which could be applied in a completely decentralized manner and cope well in time-varying scenarios. To this end, at first, novel adaptive EBSS techniques are developed for the Maximum Eigenvalue Detector (MED), the Maximum-Minimum Eigenvalue Detector (MMED), and the Generalized Likelihood Ratio Test (GLRT) schemes, respectively, for a single-user (no cooperation) case. Then, a novel distributed subspace tracking method is proposed which enables the cooperating nodes to track the joint subspace of their received signals. Based on this method, cooperative decentralized versions of the adaptive EBSS techniques are subsequently developed that overcome the limitations of the existing batch centralized approaches. The third contribution is a new cooperative scheme for half-duplex uplink transmission. The technique is based on a virtual MIMO structure formed by the single antenna source and relays nodes along with the multi-antenna base station which is the destination node. The new technique aims at providing increased diversity and multiplexing gains, contrariwise to existing approaches where the proposed techniques achieve increased diversity gain at the cost of severe multiplexing gain loss. The theoretical outage probability and the corresponding Diversity Multiplexing Trade-off (DMT) curve of the proposed technique are also derived. The final contribution is two novel algorithms which enable the relay cooperation for the distributed computation of the beamforming weights in a blind and adaptive manner, without the need to forward the data to a fusion center. The proposed algorithms are constituent parts of two corresponding distributed beamforming schemes for relay networks that distribute the computational overhead equally among the relay nodes. In the first scheme, the beamforming vector is computed through minimization of the total transmit power subject to a receiver quality-of-service constraint (QoS). In the second scheme, the beamforming weights are obtained through maximization of the receiver signal-to-noise-ration (SNR) subject to a total transmit power constraint. The proposed approaches achieve close performance to the one of the optimal beamforming solutions derived assuming perfect channel state information at the relays' side. / Τα τελευταία χρόνια, οι ασύρματες επικοινωνίες γνωρίζουν ραγδαία ανάπτυξη και ουσιαστικά αποτελούν τον πιο κοινό τρόπο επικοινωνίας. Η συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση για υπηρεσίες ασύρματων επικοινωνιών έχει ως αποτέλεσμα την περιορισμένη διαθεσιμότητα του ασύρματου φάσματος συχνοτήτων. Για να αντιμετωπισθεί το προηγούμενο πρόβλημα, προτάθηκαν στο πρόσφατο παρελθόν τεχνικές στα πλαίσια των συστημάτων γνωσιακών κόμβων (Cognitive Radio- CR). Η βασική ιδέα ενός συστήματος CR είναι να χρησιμοποιήσει προηγμένες τεχνικές επικοινωνιών και επεξεργασίας σήματος μαζί με νέες τεχνικές ανάθεσης συχνοτήτων φάσματος για να επιτρέψει σε νέους μη αδειοδοτημένους ασύρματους χρήστες να λειτουργήσουν σε συχνότητες φάσματος που έχουν ανατεθεί σε αδειοδοτημένους χρήστες χωρίς να επηρεάζουν την επίδοση των τελευταίων. Επιπλέον, η ισχυρή παρεμβολή στις ασύρματες μεταδόσεις και η επίσης ισχυρή εξασθένιση του σήματος ενός ασύρματου συστήματος επικοινωνιών έχουν ως αποτέλεσμα τη σημαντική υποβάθμιση της επίδοσης των ασυρμάτων επικοινωνιών. Μια λύση στο προηγούμενο πρόβλημα μπορεί να δοθεί με την χρήση πολλαπλών κεραιών για την επίτευξη χωρικής ποικιλομορφίας. Σε πολλές περιπτώσεις όμως, η φύση των τηλεπικοινωνιακών συσκευών δεν επιτρέπει την υποστήριξη των πολλαπλών κεραιών λόγω περιορισμών στο μέγεθος της συσκευής, στην κατανάλωση ισχύος και στο υλικό. Ένας εναλλακτικός τρόπος για την επίτευξη χωρικής ποικιλομορφίας είναι μέσω των συνεργατικών επικοινωνιών (Cooperative Communications) οι οποίες σχηματίζουν γενικευμένα συστήματα πολλαπλών κεραιών από συστήματα μιας κεραίας. Είναι αξιοσημείωτο ότι η συνεργασία παίζει σημαντικό ρόλο στη βιβλιογραφία των συστημάτων CR, βάσει της οποίας αναπτύσσονται τεχνικές μετάδοσης με βελτιωμένη επίδοση. Επομένως, ο στόχος της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη αποδοτικών και πρακτικών τεχνικών γνωσιακών, συνεργατικών και γνωσιακών-συνεργατικών τεχνικών επικοινωνίας. Πιο συγκεκριμένα, η συνεισφορά της διατριβής μπορεί να χωριστεί στα ακόλουθα σκέλη. Στο πρώτο σκέλος παρουσιάζουμε μια νέα τεχνική μετάδοσης για CR συστήματα. Στο πρόσφατο παρελθόν, μια πληθώρα τεχνικών μετάδοσης για CR συστήματα έχει παρουσιαστεί στη βιβλιογραφία. Η πληθώρα των τεχνικών αυτών έχει αναπτυχθεί υποθέτοντας τέλεια γνώση της κατάστασης των εμπλεκόμενων ασύρματων τεχνικών (Channel State Information – CSI) στην πλευρά των μη αδειοδοτημένων χρηστών. Υπάρχουν, όμως, αρκετές περιπτώσεις στις οποίες οι αδειοδοτημένοι χρήστες δεν επιθυμούν καμία αλληλεπίδραση με τους αντίστοιχους μη αδειοδοτημένους. Σε τέτοιες περιπτώσεις, η υπόθεση ότι ο μη αδειοδοτημένος χρήστης έχει πρόσβαση σε CSI που σχετίζεται με τα κανάλια του αντίστοιχου αδειοδοτημένου δεν είναι έγκυρη με αποτέλεσμα η σχετική τεχνική μετάδοσης να μην μπορεί να εφαρμοστεί. Συνεπώς, αρχικά προτείνουμε ένα καινοτόμο CR επικοινωνιακό σχήμα που απαιτεί CSI το οποίο μπορεί να υπολογισθεί με έναν εντελώς τυφλό τρόπο. Έπειτα η αντίστοιχη τυφλή τεχνική εκτίμησης αναπτύσσεται. Μια άλλη σημαντική συνεισφορά είναι τα θεωρητικά αποτελέσματα τα οποία έχουν εξαχθεί τόσο για την τέλεια CSI περίπτωση, όσο και για τη μη τέλεια CSI περίπτωση (όταν το τυφλό σχήμα εκτίμησης χρησιμοποιείται για την απόκτηση της αντίστοιχης CSI). Ειδικότερα, τα θεωρητικά αποτελέσματα τα οποία αφορούν τη μη τέλεια CSI περίπτωση είναι μερικά από τα πρώτα τα οποία εμφανίζονται στη σχετική βιβλιογραφία, από όσο γνωρίζουμε. Το δεύτερο σκέλος αφορά μια απόκεντρικοποιημένη προσαρμοστική τεχνική επισκόπησης φάσματος ιδιοτιμών (Eigenvalue-Based Spectrum Sensing – EBSS) για συστήματα CR πολλαπλών κεραιών. Γενικά, ο μη αδειοδοτημένος χρήστης χρησιμοποιεί μία τεχνική επισκόπησης φάσματος προκειμένου να ανιχνεύσει την δραστηριότητα των αδειοδοτημένων χρηστών σε σενάρια όπου ο πρώτος επιτρέπεται να μεταδώσει μόνο διαμέσου περιοχών φάσματος οι οποίες είναι προσωρινά ελέυθερες από μεταδόσεις του δεύτερου. Είναι γνωστό ότι οι τεχνικές EBSS επιτυγχάνουν καλή επίδοση και είναι εφαρμόσιμες με ένα εντελώς τυφλό τρόπο. Στην βιβλιογραφία μέχρι στιγμής, έχουν μελετηθεί μόνο κεντρικοποιημένες συνεργατικές τεχνικές και τεχνικές τύπου batch οι οποίες υποφέρουν από περιορισμούς που τις καθιστούν μη πρακτικές σε αρκετές περιπτώσεις όπως όταν εμπλέκονται χρονικά μεταβαλλόμενα κανάλια ή όταν απαιτείται συνεχής παρακολούθηση του φάσματος. Συνεπώς, ο σκοπός εδώ είναι η ανάπτυξη πρακτικών συνεργατικών και προσαρμοστικών εκδοχών τυπικών EBSS οι οποίες μπορούν να εφαρμοστούν με ένα εντελώς αποκεντρικοποιημένο τρόπο και αποδίδουν καλά σε σενάρια που εμπλέκουν χρονικά μεταβαλλόμενα κανάλια. Προς αυτή την κατεύθυνση αναπτύσσονται αρχικά, νέες προσαρμοστικές εκδοχές για τις τεχνικές Maximum Eigenvalue Detector (MED), Maximum-Minimum Eigenvalue Detector (MMED) και την Generalized Likelihood Ratio Test (GLRT) αντίστοιχα για την περίπτωση του ενός χρήστη. Έπειτα μια νέα μέθοδος κατανεμημένης παρακολούθησης υποχώρου προτείνεται, η οποία επιτρέπει στους συνεργαζόμενους κόμβους να παρακολουθούν τον κοινό υποχώρο των ληφθέντων σημάτων τους. Με βάση αυτή την μέθοδο, συνεργατικές και αποκεντρικοποιημένες εκδοχές των προσαρμοστικών EBSS τεχνικών αναπτύσσονται οι οποίες ξεπερνούν τους περιορισμούς των υπαρχόντων κεντρικοποιημένων τεχνικών τύπου batch. Το τρίτο σκέλος είναι μια νέα συνεργατική τεχνική για half-duplex uplink μετάδοση. Αυτή η τεχνική βασίζεται σε ένα γενικευμένο σύστημα πολλαπλών κεραιών σχηματιζόμενο από την μιας κεραίας πηγή και κόμβους συνεργατών μαζί με το σταθμό βάσης πολλαπλών κεραιών ο οποίος είναι και ο κόμβος προορισμός. Η νέα τεχνική στοχεύει στο να παρέχει αυξημένα κέρδη ποικιλομορφίας και πολυπλεξίας, σε αντίθεση με υπάρχουσες τεχνικές οι οποίες επιτυγχάνουν αυξημένα κέρδη ποικιλομορφίας σε βάρος του κέρδους ποικιλομορφίας. Η θεωρητική πιθανότητα διακοπής επικοινωνίας και η αντίστοιχη καμπύλη Diversity Multiplexing Tradeoff (DMT) της προτεινόμενης τεχνικής υπολογίζονται. Το τελευταίο σκέλος είναι δύο νέοι αλγόριθμοι, οι οποίοι επιτρέπουν την ενδο-συνεργασία των συνεργατικών κόμβων για τον κατανεμημένο υπολογισμό των βαρών της τεχνικής προσανατολισμένης επικοινωνίας με τυφλό και προσαρμοστικό τρόπο χωρίς την ανάγκη προώθησης των δεδομένων σε έναν κόμβο σταθμό. Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι είναι συστατικά στοιχεία δύο αντίστοιχων τεχνικών προσανατολισμένης επικοινωνίας για δίκτυα συνεργατών τα οποία κατανέμουν τον υπολογιστικό φόρτο ισότιμα στους συνεργαζόμενους κόμβους. Στο πρώτο σχήμα το διάνυσμα βαρών υπολογίζεται ώστε να ελαχιστοποιείται η συνολική ισχύς μετάδοσης υπό έναν περιορισμό στην ποιότητα μετάδοσης. Το δεύτερο σχήμα, το διάνυσμα βαρών υπολογίζεται ώστε να μεγιστοποιείται το SNR του υπό έναν περιορισμό στην επιτρεπόμενη συνολική ισχύς μετάδοσης. Οι προτεινόμενες τεχνικές επιτυγχάνουν επίδοση κοντινή σε εκείνη των βέλτιστων λύσεων, οι οποίες έχουν υπολογισθεί υποθέτοντας τέλειο CSI στους κόμβους συνεργάτες.

Face à une demande sans cesse croissante de haut débit et d'adaptabilité des systèmes existants, qui à son tour se traduit par l'encombrement du spectre, le développement de nouvelles solutions dans le domaine des communications sans fil devient nécessaire afin de répondre aux exigences des applications émergentes. Parmi les innovations récentes dans ce domaine, l'ultra large bande (UWB) a suscité un vif intérêt. La radio impulsionnelle UWB (IR-UWB), qui est une solution intéressante pour réaliser des systèmes UWB, est caractérisée par la transmission des impulsions de très courte durée, occupant une largeur de bande allant jusqu'à 7,5 GHz, avec une densité spectrale de puissance extrêmement faible. Cette largeur de bande importante permet de réaliser plusieurs fonctionnalités intéressantes, telles que l'implémentation à faible complexité et à coût réduit, la possibilité de se superposer aux systèmes à bande étroite, la diversité spatiale et la localisation très précise de l'ordre centimétrique, en raison de la résolution temporelle très fine.Dans cette thèse, nous examinons certains éléments clés dans la réalisation d'un système IR-UWB intelligent. Nous avons tout d'abord proposé le concept de radio UWB cognitive à partir des similarités existantes entre l'IR-UWB et la radio cognitive. Dans sa définition la plus simple, un tel système est conscient de son environnement et s'y adapte intelligemment. Ainsi, nous avons tout d'abord focalisé notre recherché sur l'analyse de la disponibilité des ressources spectrales (spectrum sensing) et la conception d'une forme d'onde UWB adaptative, considérées comme deux étapes importantes dans la réalisation d'une radio cognitive UWB. Les algorithmes de spectrum sensing devraient fonctionner avec un minimum de connaissances a priori et détecter rapidement les utilisateurs primaires. Nous avons donc développé de tels algorithmes utilisant des résultats récents sur la théorie des matrices aléatoires, qui sont capables de fournir de bonnes performances, avec un petit nombre d'échantillons. Ensuite, nous avons proposé une méthode de conception de la forme d'onde UWB, vue comme une superposition de fonctions B-splines, dont les coefficients de pondération sont optimisés par des algorithmes génétiques. Il en résulte une forme d'onde UWB qui est spectralement efficace et peut s'adapter pour intégrer les contraintes liées à la radio cognitive. Dans la 2ème partie de cette thèse, nous nous sommes attaqués à deux autres problématiques importantes pour le fonctionnement des systèmes UWB, à savoir la synchronisation et l'estimation du canal UWB, qui est très dense en trajets multiples. Ainsi, nous avons proposé plusieurs algorithmes de synchronisation, de faible complexité et sans séquence d'apprentissage, pour les modulations BPSK et PSM, en exploitant l'orthogonalité des formes d'onde UWB ou la cyclostationnarité inhérente à la signalisation IR-UWB. Enfin, nous avons travaillé sur l'estimation du canal UWB, qui est un élément critique pour les récepteurs Rake cohérents. Ainsi, nous avons proposé une méthode d'estimation du canal basée sur une combinaison de deux approches complémentaires, le maximum de vraisemblance et la décomposition en sous-espaces orthogonaux,d'améliorer globalement les performances.

Given the ever-growing demand for radio spectrum, cognitive radio has recently emerged as an attractive wireless communication technology. This dissertation is concerned with developing spectrum sensing algorithms in cognitive radio networks where a single or multiple cognitive radios (CRs) assist in detecting licensed primary bands employed by single or multiple primary users. First, given that orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) is an important wideband transmission technique, detection of OFDM signals in low-signal-to-noise-ratio scenario is studied. It is shown that the cyclic prefix correlation coefficient (CPCC)-based spectrum sensing algorithm, which was previously introduced as a simple and computationally efficient spectrum-sensing method for OFDM signals, is a special case of the constrained generalized likelihood ratio test (GLRT) in the absence of multipath. The performance of the CPCC-based algorithm degrades in a multipath scenario. However when OFDM is implemented, by employing the inherent structure of OFDM signals and exploiting multipath correlation in the GLRT algorithm a simple and low-complexity algorithm called the multipath-based constrained-GLRT (MP-based C-GLRT) algorithm is obtained. Further performance improvement is achieved by combining both the CPCC- and MP-based C-GLRT algorithms. A simple GLRT-based detection algorithm is also developed for unsynchronized OFDM signals. In the next part of the dissertation, a cognitive radio network model with multiple CRs is considered in order to investigate the benefit of collaboration and diversity in improving the overall sensing performance. Specially, the problem of decision fusion for cooperative spectrum sensing is studied when fading channels are present between the CRs and the fusion center (FC). Noncoherent transmission schemes with on-off keying (OOK) and binary frequency-shift keying (BFSK) are employed to transmit the binary decisions to the FC. The aim is to maximize the achievable secondary throughput of the CR network. Finally, in order to reduce the required transmission bandwidth in the reporting phase of the CRs in a cooperative sensing scheme, the last part of the dissertation examines nonorthogonal transmission of local decisions by means of on-off keying. Proposed and analyzed is a novel decoding-based fusion rule for combining the hard decisions in a linear manner.

Abstract Cognitive Radio (CR) improves the efficiency of spectrum utilization by allowing non- licensed users to utilize bands when not occupied by licensed users. In this thesis, we address several challenges currently limiting the wide use of cognitive radios. These challenges include identification of unoccupied bands, energy consumption and other technical challenges. Improved accuracy edge detection techniques are developed for CR to mitigate both noise and estimation error variance effects. Next, a reduced complexity Simplified DFT (SDFT) is proposed for use in CR. Then, a sub-Nyquist rate A to D converter is introduced to reduce energy consumption. Finally, a novel multi-resolution PSD estimation based on expectation-maximization algorithm is introduced that can obtain a more accurate PSD within a specified sensing time.

[pt] O rádio cognitivo é uma tecnologia que visa o compartilhamento do espectro radioelétrico entre usuários primários licenciados e os demais usuários secundários de maneira harmoniosa, sem provocar interferências que prejudiquem a prestação dos serviços e visando uma melhoria na eficiência do uso do espectro radioelétrico, que é um recurso cada vez mais escasso. No âmbito da pesquisa referente a esta dissertação, é construído e implementado no GNU Radio um esquema de avaliação de desempenho de detectores para rádio cognitivo, é construído o detector de energia, e são implementadas simulações computacionais e ensaios por meio de duas USRP para avaliar o desempenho do detector criado, visando os requisitos do padrão IEEE 802.22. / [en] Cognitive radio is a technology that aims to share the radio spectrum between licensed primary users and other secondary users in a harmonious way without causing interference that prevent the services provision and aiming at an improvement in the efficiency in the use of the radioelectric spectrum, which is a resource increasingly scarce. In the scope of the research related to this dissertation, a performance evaluation scheme of cognitive radio detectors is constructed and implemented in GNU Radio, the energy detector is constructed, and computational simulations and tests are implemented through two USRPs to evaluate the performance of the detector created, targeting the requirements of the IEEE 802.22 standard.

La radio cognitive (CR) est une radio entièrement reconfigurable qui permet de changer intelligemment ses paramètres de communication en réponse à l’activité des autres réseaux radios et demandes d’utilisateur. L’objectif ultime de la CR est de permettre à l’utilisateur secondaire (SU) d’utiliser la ressource de spectre disponible sans interférer sur l’utilisateur primaire (PU) en utilisant des trous de spectre. Par conséquent, la détection du PU est l’un des défis principaux dans le développement de la CR. Par rapport aux systèmes conventionnels de communication sans fil, le système CR introduit de nouveaux problèmes d’allocation de ressource (RA) en raison de l’interférence des canaux adjacents utilisés par le SU et le PU. Dans le contexte de la CR, la plupart des efforts ont été menés sur les systèmes de CR basés sur le multiplexage par division de fréquences orthogonales (OFDM). Toutefois, la technique de l’OFDM montre quelques points faibles dans l’application à cause des remontées significatives du spectre. Les modulations multiporteuses à base de bancs de filtre (FBMC) ont été récemment proposées pour des applications de CR. Dans cette thèse, trois points importants pour le développement d’un système de CR basé sur le FBMC sont discutés.Les trois points principaux peuvent être résumés ainsi: nous examinons premièrement les problèmes de détection de spectre des signaux OFDM et FBMC en employant le détecteur de signature de cyclostationnarité (CS). En outre, nous proposons une architecture de détection multi-bande basée sur le banc de filtre polyphasé (PFB), et montrons son avantage; deuxièmement, la comparaison entre l’OFDM et le FBMC du point de vue de l’efficacité spectrale est discutée; et enfin, nous proposons un algorithme stratégique d’allocation de ressource pour les systèmes cognitifs multi-cellulaires et multi-utilisateurs.Les algorithmes proposés dans cette thèse ont été testés par simulation. Les résultats numériques prouvent que le FBMC, par opposition à l’OFDM, pourrait réaliser une efficacité spectrale plus élevée et offre un avantage attrayant dans la détection de spectre. Les contributions de cette thèse ont accru l’intérêt d’appliquer FBMC dans les systèmes de CR à l’avenir. / Cognitive Radio (CR) is a fully reconfigurable radio that can intelligently change its communicationvariables in response to network and user demands. The ultimate goal of CR is to allowthe Secondary User (SU) to utilize the available spectrum resource on a non-interfering basis to thePrimary User (PU) by sensing the existence of spectrum holes. Therefore, the detection of PU isone of the main challenges in the development of the CR technology. Moreover, compared to conventionalwireless communication systems, CR system poses new challenges to Resource Allocation(RA) problems because of the Cross-Channel Interference (CCI) from the adjacent channels used bySU to PU. In the CR context, most past efforts have been spent on Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing (OFDM) based CR systems. However, OFDM technique exhibits some shortcomingsin application due to its significant spectrum leakage. Filter Bank based Multi-Carrier (FBMC), asanother promising Multi-Carrier Modulation (MCM) candidate, has been recently proposed for CRapplications. In this dissertation, three important issues in developing a FBMC based CR system arediscussed.The three prime issues can be summarized: we firstly survey the spectrum sensing problemsof OFDM and FBMC signals by using Cyclostationary Signature (CS) detector. Furthermore, wepropose a Polyphase Filter Bank (PFB) based multi-band sensing architecture, and argue for its advantage;secondly, the comparison of OFDM and FBMC from the spectral efficiency point of viewis discussed; and lastly, our emphasis is placed on the strategic resource allocation algorithms fornon-cooperative multi-cell CR systems.The overall proposed algorithms have been verified by simulation. Numerical results show thatFBMC, as opposed to OFDM, could achieve higher spectrum efficiency and attractive benefit inspectrum sensing. The contributions of this dissertation have heighten the interest in applying FBMCin the future CR systems.

Cognitive radios are the radios which use spectrum licensed to other users. For this, they perform Radio Environment Analysis, identify the Spectral holes and then operate in those holes. We consider the problem of Spectrum Sensing in Cognitive Radio Networks. Our Algorithms are based on Sequential Change Detection techniques. In this work we have used DualCUSUM, a distributed algorithm developed recently for cooperative spectrum sensing. This is used by cognitive (secondary) nodes to sense the spectrum which then send their local decisions to a fusion center. The fusion center again sequentially processes the received information to arrive at the final decision. We show that DualCUSUM performs better than all other existing spectrum sensing algorithms. We present a generalized analysis of DualCUSUM and compare the analysis with simulations to show its accuracy. DualCUSUM requires the knowledge of the channel gains for each of the secondary users and the receiver noise power. In Cognitive Radio setup it is not realistic to assume that each secondary user will have this knowledge. So later we modify DualCUSUM to develop GLRCUSUM algorithms which can work with imprecise estimates of the channel gains and receiver noise power. We show that the SNR wall problem encountered in this scenario by other detectors is not experienced by our algorithm. We also analyze the GLRCUSUM algorithms theoretically. We also apply our algorithms for detecting the presence of the primary in an Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) setup. We first consider the Cyclic Prefix (CP) detector, which is considered to be robust to uncertainties in noise power, and further modify the CPdetector to take care of some of the common impairments like Timing offset, Frequency offset and IQ imbalance. We further modify the CPdetector to work under frequency selective channel. We also consider the energy detector under different impairments and show that the sequential detection based energy detectors outperform cyclic prefix based Detectors.

Abstract Cognitive Radio (CR) improves the efficiency of spectrum utilization by allowing non- licensed users to utilize bands when not occupied by licensed users. In this thesis, we address several challenges currently limiting the wide use of cognitive radios. These challenges include identification of unoccupied bands, energy consumption and other technical challenges. Improved accuracy edge detection techniques are developed for CR to mitigate both noise and estimation error variance effects. Next, a reduced complexity Simplified DFT (SDFT) is proposed for use in CR. Then, a sub-Nyquist rate A to D converter is introduced to reduce energy consumption. Finally, a novel multi-resolution PSD estimation based on expectation-maximization algorithm is introduced that can obtain a more accurate PSD within a specified sensing time.

One statement that we can make with absolute certainty in our current time is that wireless communication is now the standard and the de-facto type of communication. Cognitive radios are able to interpret the frequency spectrum and adapt. The aim of this work is to be able to predict whether a frequency channel is going to be busy or free in a specific time located in the future. To do this, the problem is modeled as a time series problem where each usage of a channel is treated as a sequence of busy and free slots in a fixed time frame. For this time series problem, the method being implemented is one of the latest, state-of-the-art, technique in machine learning for time series and sequence prediction: long short-term memory neural networks, or LSTMs.

The aim of master’s thesis is a classification of digital modulation type. The interest in modulation classification has been growing for last years. It has several possible roles in both civilian and military applications such as spectrum sensing, signal confirmation, interference identification, monitoring and so on. Modulation classification is an intermediate step between signal detection and successful demodulation. Therefore the known methods are based on different statistics obtained from received signals. These statistics can be derived from continuous time signals and they hold for sampled signals.