Όπως δηλώνει και ο τίτλος, η παρούσα διπλωματική εργασία διαπραγματεύεται διάφορες τεχνικές για την ανίχνευση του φάσματος σε cognitive radio SIMO συστήματα. Η συμβατική προσέγγιση της διαχείρισης του φάσματος δεν είναι ευέλικτη καθώς με το περισσότερο χρήσιμο τμήμα του ραδιοφάσματος να είναι δεσμευμένο, είναι εξαιρετικά δύσκολο να βρεθούν ελεύθερες συχνότητες για την ανάπτυξη νέων υπηρεσιών ή για τον εμπλουτισμό των ήδη υπαρχόντων, ενώ ταυτόχρονα, διάφορες μετρήσεις έχουν καταδείξει ότι το αδειοδοτημένο φάσμα σπάνια χρησιμοποιείται πλήρως, τόσο ως προς το πεδίο του χρόνου όσο και ως προς το πεδίο του χώρου. Έτσι, η τεχνολογία του Cognitive Radio (Γνωστικά Συστήματα Ραδιοεπικοινωνιών) έρχεται να προσφέρει λύση, κυρίως, στα παραπάνω ζητήματα παρέχοντας δυναμική εκμετάλλευση του φάσματος. Η τεχνολογία του Cognitive Radio έχει προταθεί για μικρότερης προτεραιότητας δευτερεύοντα συστήματα αποσκοπώντας στη βελτίωση της αποδοτικότητας του διαθέσιμου φάσματος μέσω της ανίχνευσής του και επιτρέποντας στα δευτερεύοντα αυτά συστήματα να εκπέμπουν στις μπάντες που εντοπίζονται να μη χρησιμοποιούνται. Όπως γίνεται εύκολα αντιληπτό από τα παραπάνω, η ανίχνευση φάσματος (spectrum sensing) αποτελεί ένα ιδιαιτέρως κρίσιμο θέμα για τα cognitive συστήματα. Για να επιτευχθεί η προσαρμοστική μετάδοση σε αχρησιμοποίητα τμήματα φάσματος, χωρίς να προκαλούνται παρεμβολές στους βασικούς χρήστες αυτών των τμημάτων (Primary Users-PUs), το spectrum sensing αποτελεί το πρώτο και ένα από τα κυριότερα βήματα, καθώς απαιτείται υψηλή αξιοπιστία στην ανίχνευση του σήματος των PUs. Οι δευτερεύοντες χρήστες (Secondary Users-SUs), δηλαδή, θα πρέπει να γνωρίζουν αν το φάσμα χρησιμοποιείται ώστε να αξιοποιήσουν το διαθέσιμο φάσμα με τον πιο αποτελεσματικό τρόπο. Ουσιαστικά, το spectrum sensing εφαρμόζεται για να δώσει στον cognitive χρήστη μια όσο το δυνατόν πιστότερη εικόνα του περιβάλλοντος στο οποίο βρίσκεται. Σκοπό της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελεί η μελέτη και η ανάπτυξη αλγορίθμων που θα επιτρέπουν στον SU ενός SIMO συστήματος να ανιχνεύει την ύπαρξη φασματικών κενών. Η υλοποίηση που χρησιμοποιήσαμε βασίζεται στη χρήση ενός predictor. Πιο συγκεκριμένα, το σήμα που λαμβάνει ο δέκτης περνά από ένα backward linear predictor από τον οποίο υπολογίζουμε τη διαφορά του προβλεπόμενου σήματος σε σχέση με το πραγματικό, δηλαδή το σφάλμα πρόβλεψης. Αξιοποιώντας κατάλληλα το σφάλμα πρόβλεψης, και πιο συγκεκριμένα τον πίνακα αυτοσυσχέτισης του σφάλματος, μας δίνεται η δυνατότητα να ανιχνεύσουμε αξιόπιστα την ύπαρξη ή την απουσία σήματος, ακόμα και σε θορυβώδη περιβάλλοντα, δηλαδή για χαμηλές τιμές του λόγου σήματος προς θόρυβο. Για τον έλεγχο της απόδοσης των αλγορίθμων που αναπτύξαμε, το παραπάνω σύστημα εξομοιώθηκε σε MATLAB για διάφορες συνθήκες και κανάλια / In the present thesis, we will study spectrum sensing techniques of Cognitive Radio SIMO systems. The conventional approach to spectrum management is not flexible, as most of the useful part of the spectrum is bounded. Hence it is extremely difficult to find free frequencies in order to deploy new services or to enhance the already existing ones. At the same time, various measurements show that the licensed spectrum is heavily underutilized in terms of both the time domain as well as the space domain. Thus Cognitive Radio technology comes to offer solutions, mainly with regard to the issues mentioned above, providing a dynamic utilization of the spectrum. Cognitive Radio has been proposed for lower priority secondary systems intending to improve spectral efficiency through spectrum sensing thus allowing these systems to transmit at frequency bands that are detected to be unused. As we can easily understand from the above, spectrum sensing is a critical issue for cognitive systems. In order to achieve adaptive transmission in unused portions of the spectrum without interferences to the licensed users of these portions (Primary Users-PUs), spectrum sensing is the first and one of the most important steps as high reliability is demanded on PUs' signal detection. That is, Secondary Users (SUs) should know if the spectrum is being used in order to exploit the available spectrum in the most efficient way. Essentially, spectrum sensing is used in order to provide the cognitive user with a representation of its operating environment which is as faithful as possible. The scope of this thesis is the study and the creation of algorithms that will give the SU of a SIMO system the opportunity to detect the existence of spectrum holes. The implementation we used is based on a predictor. More specifically, the received signal passes through a backward linear predictor from which we compute the difference between the actual signal and the predicted signal, which is the prediction error. By properly exploiting the prediction error, more precisely the autocorrelation matrix of the prediction error, we can trustworthily detect the existence or the absence of a signal, even in noisy environments, that is, for low values of the signal-to-noise ratio. In order to test the performance of our algorithms, the system above was simulated by MATLAB for different conditions and channels.

Τα τελευταία χρόνια παρατηρήθηκε μια ραγδαία αύξηση στα ασύρματα συστήματα επικοινωνίας και τις σχετικές εφαρμογές. Μετά από αυτές τις εξελίξεις, το κλασικό σύστημα αδειοδότησης και κατόπιν αποκλειστικής χρήσης του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος οδηγείται στα όριά του, καθώς πλέον πολύ λίγες περιοχές του φάσματος είναι ελεύθερες. Ωστόσο, αρκετές έρευνες που πραγματοποιήθηκαν από οργανισμούς όπως η Ομοσπονδιακή Επιτροπή Επικοινωνιών (Federal Communications Commission – FCC) στην Αμερική κατέδειξαν ότι μεγάλες περιοχές του ήδη αδειοδοτημένου φάσματος παραμένουν ανενεργές για σημαντικά χρονικά διαστήματα σε ορισμένες γεωγραφικές περιοχές. Μια νέα επαναστατική τεχνολογία που αποσκοπεί στην αποδοτικότερη χρησιμοποίηση του φάσματος είναι οι Γνωστικές Επικοινωνίες (Cognitive Radio). Η τεχνολογία αυτή θα υποστηρίζει “έξυπνα” τερματικά τα οποία θα είναι ενήμερα για το ασύρματο περιβάλλον τους και, ανάλογα με τις επικρατούσες συνθήκες και τις ανάγκες των χρηστών θα προσαρμόζουν κάποιες παραμέτρους της μετάδοσής τους, με πιο σημαντική την μπάντα μετάδοσης. Με άλλα λόγια, ένα Cognitive Radio θα ανιχνεύει το φάσμα και θα εντοπίζει φασματικές οπές (spectrum holes), περιοχές δηλαδή του φάσματος που τη δεδομένη στιγμή δεν χρησιμοποιούνται από τον πρωταρχικό χρήστη τους, και θα χρησιμοποιεί αυτές τις οπές για να μεταδώσει πληροφορία. Επιπλέον, το Cognitive Radio θα είναι ικανό να αναγνωρίζει ακριβώς τα συστήματα επικοινωνίας που υπάρχουν γύρω του (3G, WLAN,...) και θα μπορεί να συνδέεται σε αυτά, εφ' όσον ο χρήστης διαθέτει την κατάλληλη άδεια. Από τα παραπάνω γίνεται φανερό ότι ένα πολύ σημαντικό κομμάτι των γνωστικών επικοινωνιών είναι η ανίχνευση του φάσματος (spectrum sensing). Έχουν προταθεί αρκετοί αλγόριθμοι οι οποίοι είτε ανιχνεύουν την παρουσία πρωτεύοντος χρήστη, είτε κάνουν μια πιο λεπτομερή εκτίμηση του φάσματος αποσκοπώντας στην ταυτοποίηση του παρόντος τηλεπικοινωνιακού συστήματος. Επίσης ενδιαφέρον παρουσιάζει και η δυνατότητα συνεργασίας μεταξύ πολλών χρηστών κατά την ανίχνευση, η οποία έχει αποδειχθεί ότι παρέχει ανοσία σε φαινόμενα όπως multipath fading και shadowing. Σε αυτή την εργασία μελετάται και υλοποιείται μία τεχνική ανίχνευσης φάσματος και ταυτοποίησης σήματος, η οποία αξιοποιεί την a priori διαθέσιμη πληροφορία για τα πρωτεύοντα σήματα (εύρος ζώνης, κεντρική συχνότητα) για να αναγνωρίσει τον τύπο του σήματος. Η τεχνική εφαρμόζεται επίσης σε ένα συνεργατικό σενάριο, όπου πολλοί δευτερεύοντες χρήστες ανταλλάσσουν πληροφορία με στόχο την ακριβέστερη εκτίμηση του φάσματος. Διαπιστώνεται ότι η τεχνική καταφέρνει να διακρίνει μεταξύ διαφορετικών σημάτων, ακόμα και όταν αυτά επικαλύπτονται μερικώς στη συχνότητα. Επιπλέον, η συνεργασία οδηγεί σε μεγαλύτερη πιθανότητα ανίχνευσης και σε λιγότερα σφάλματα ταυτοποίησης. / In recent years, there has been a rapid increase in the number of wireless telecommunications systems and relevant applications. After these developments, the traditional system of licensing and exclusive use of the radio spectrum is driven to its limits, since very few regions of the spectrum are free anymore. However, a number of measurements performed by organizations such as the Federal Communications Commission (FCC) in the USA have shown that large regions of licensed spectrum remain idle for significant portions of time, in certain geographic areas. Cognitive Radio is a new, revolutionary technology that aims in more efficient use of the spectrum. This technology supports “intelligent” terminals which are aware of their wireless environment and, depending on present circumstances and user needs they can adjust certain parameters of their transmissions, mainly the transmission band. In other words, a Cognitive Radio senses the radio spectrum and detects spectrum holes, i.e. regions of the spectrum that are currently not used by their primary user, and uses these holes to transmit. In addition, Cognitive Radio is expected to be able to identify the communication systems in its environment and connect to them, as long as the user has proper authorization. It then becomes obvious that spectrum sensing is a very important part of Cognitive Radio. A number of algorithms have been proposed that either detect the presence of a primary user, or perform a more detailed estimation of the spectrum in order to accurately identify the current communication standard. The possibility of cooperation between many users during sensing has also attracted interest, since it has proven to provide immunity against channel effects such as multipath fading and shadowing. In this work, a spectrum sensing and signal identification technique is studied and implemented that takes advantage of a priori information available about the primary systems (signal bandwidth, center frequency), in order to characterize the signal type. The technique is also applied to a collaborative scenario, where many secondary users exchange information to more accurately estimate the spectrum. It is seen that this technique is able to distinguish different signals, even when they partially overlap in frequency. Furthermore, it is shown that cooperation leads to a greater probability of detection and a lower identification error rate.

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο την μελέτη και ανάπτυξη μίας τεχνικής ανίχνευσης φάσματος (spectrum sensing technique), η οποία να μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε περιβάλλον Δυναμικής Εκχώρησης Φάσματος από Γνωστικά Συστήματα Ραδιοεπικοινωνιών (Cognitive Radio Systems). Οι παραδοσιακές στατικές στρατηγικές καταμερισμού του φάσματος έχουν δημιουργήσει προβλήματα έλλειψης διαθέσιμου φάσματος. Ταυτόχρονα, πρόσφατες μετρήσεις δείχνουν ότι μεγάλα τμήματα του φάσματος που έχουν εκχωρηθεί με άδεια σε συγκεκριμένα συστήματα υποχρησιμοποιούνται. Είναι επομένως αναγκαίο να υιοθετηθούν νέες πολιτικές διαχείρισης του φάσματος οι οποίες θα επιτρέπουν σε μη αδειοδοτημένα δίκτυα να κάνουν χρήση τμημάτων του αδειοδοτημένου φάσματος. Τα Γνωστικά Συστήματα Ραδιοεπικοινωνιών είναι ευφυή συστήματα τα οποία έχουν γνώση του περιβάλλοντός τους και μπορούν να προσαρμόζουν κατάλληλα τις παραμέτρους λειτουργίας τους σε αυτό. Τα συστήματα αυτά μπορούν να ανιχνεύουν περιοδικά το φάσμα, να εντοπίζουν τις ζώνες συχνοτήτων οι οποίες δε χρησιμοποιούνται από τους αδειοδοτημένους χρήστες τους και να τις αξιοποιούν. Όπως γίνεται εύκολα αντιληπτό από τα παραπάνω η ανίχνευση φάσματος αποτελεί ένα ιδιαιτέρως κρίσιμο θέμα για τα Γνωστικά Συστήματα Ραδιοεπικοινωνιών. Στο στάδιο αυτό, το σύστημα ανιχνεύει και παρακολουθεί στο περιβάλλον μέσα στο οποίο ενεργεί, το κατά πόσο το φάσμα είναι ελεύθερο ανά πάσα χρονική στιγμή και αξιοποιεί αυτά τα φασματικά κενά. Ουσιαστικά η ανίχνευση φάσματος εφαρμόζεται για να δώσει στον cognitive χρήστη μία όσο το δυνατόν πιστότερη εικόνα του περιβάλλοντος μέσα στο οποίο βρίσκεται. Η δική μας μελέτη επικεντρώθηκε στις τεχνικές ανίχνευσης φάσματος (spectrum sensing) και συγκεκριμένα αναπτύσσουμε μία μέθοδο ανίχνευσης φασματικών κενών βασιζόμενη στη χρήση ενός προβλεπτή (predictor) και στη χρησιμοποίηση του σφάλματος πρόβλεψης του σήματος που προκύπτει από αυτόν ως μετρική για τη λήψη απόφασης σχετικά με την ύπαρξη ή την απουσία σήματος ακόμα και σε θορυβώδη περιβάλλοντα (πολύ χαμηλό SNR). H τεχνική ανίχνευσης φάσματος που προτείνουμε μοντελοποιήθηκε στο περιβάλλον μοντελοποίησης MATLAB. Στη συνέχεια, διενεργήθηκαν εκτενείς προσομοιώσεις για ποικίλες τιμές των διαφόρων παραμέτρων του συστήματος αλλά και για διαφορετικά συστήματα, ούτως ώστε να αξιολογηθεί η επίδοση της τεχνικής σε διάφορες συνθήκες. / In the present thesis, we will study spectrum sensing techniques of Cognitive Radio SIMO systems. The conventional approach to spectrum management is not flexible, as most of the useful part of the spectrum is bounded. Hence it is extremely difficult to find free frequencies in order to deploy new services or to enhance the already existing ones. At the same time, various measurements show that the licensed spectrum is heavily underutilized in terms of both the time domain as well as the space domain. Thus Cognitive Radio technology comes to offer solutions, mainly with regard to the issues mentioned above, providing a dynamic utilization of the spectrum. Cognitive Radio has been proposed for lower priority secondary systems intending to improve spectral efficiency through spectrum sensing thus allowing these systems to transmit at frequency bands that are detected to be unused. As we can easily understand from the above, spectrum sensing is a critical issue for cognitive systems. In order to achieve adaptive transmission in unused portions of the spectrum without interferences to the licensed users of these portions (Primary Users-PUs), spectrum sensing is the first and one of the most important steps as high reliability is demanded on PUs' signal detection. That is, Secondary Users (SUs) should know if the spectrum is being used in order to exploit the available spectrum in the most efficient way. Essentially, spectrum sensing is used in order to provide the cognitive user with a representation of its operating environment which is as faithful as possible. The scope of this thesis is the study and the creation of algorithms that will give the SU of a SIMO system the opportunity to detect the existence of spectrum holes. The implementation we used is based on a predictor. More specifically, the received signal passes through a backward linear predictor from which we compute the difference between the actual signal and the predicted signal, which is the prediction error. By properly exploiting the prediction error, more precisely the power of the prediction error, we can trustworthily detect the existence or the absence of a signal, even in noisy environments, that is, for low values of the signal-to-noise ratio. In order to test the performance of our algorithms, the system above was simulated by MATLAB for different conditions and channels.

Με τη ραγδαία ανάπτυξη των ασύρματων επικοινωνιών και την μαζική χρήση τους, εμφανίστηκε το πρόβλημα της διάθεσης των ραδιοσυχνοτήτων του φάσματος, του κύριου αλλά πεπερασμένου πόρου για τις ασύρματες επικοινωνίες. Η κύρια πολιτική πρόσβασης στο φάσμα ραδιοσυχνοτήτων, είναι η εξουσιοδότηση επιλεγμένων χρηστών να μεταδίδουν σε συγκεκριμένο εύρος συχνοτήτων. Παρά την κάλυψη όλων των ραδιοσυχνοτήτων από εξουσιοδοτημένους χρήστες, την αυξημένη ζήτηση και το υψηλό κόστος πρόσβασης, μετά από έρευνες αποδεδείχθηκε ότι μόνο το 70% του φάσματος χρησιμοποιείται αποδοτικά μέχρι σήμερα. Η τεχνολογία του Cognitive Radio αναπτύχθηκε με την προοπτική να επιτύχει αποτελεσματικότερη χρήση του φάσματος, δίνοντας τη δυνατότητα σε μη εξουσιοδοτημένους χρήστες να έχουν πρόσβαση σε συχνότητες που είναι καθόλου ή μερικώς κατειλημμένες από τους εξουσιοδοτημένους χρήστες, στο χώρο και στο χρόνο. Η τεχνολογία του Cognitive Radio εφαρμόζει δυο βήματα. Πρώτα αντιλαμβάνεται την κατάσταση του φάσματος στο χώρο σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές και έπειτα διαθέτει δυναμικά τις ελεύθερες συχνότητες που εντόπισε στους μη εξουσιοδοτημένους χρήστες, η διαδικασίες ονομάζονται ανίχνευση και κατανομή φάσματος αντίστοιχα. Ο μόνος περιορισμός είναι, το εκπεμπόμενο σήμα των μη εξουσιοδοτημένων χρηστών να μην παρεμβαίνει (με τη μορφή θορύβου) στο σήμα των εξουσιοδοτημένων χρηστών. Σε αυτήν την εργασία θα υλοποιηθεί μια μέθοδος της διαδικασίας ανίχνευσης φάσματος και οι τεχνικές που την εφαρμόζουν. Ο κύριος στόχος της ανίχνευσης φάσματος είναι ο εντοπισμός των εξουσιοδοτημένων χρηστών όταν αυτοί εκπέμπουν στις καθορισμένες για τον καθένα συχνότητες. Αυτό επιτυγχάνεται όταν φτάνει το σήμα των εξουσιοδοτημένων χρηστών στην κεραία του μη εξουσιοδοτημένου χρήστη. To βασικό εμπόδιο που παρουσιάζεται για τον εντοπισμό αυτών είναι η εξασθένηση του σήματος του εξουσιοδοτημένου χρήστη εξαιτίας των κακών συνθηκών καναλιού που προκύπτουν από τα φαινόμενα multipath, distance dependent path loss και shadowing. Μελέτες έδειξαν ότι η συνεργασία των μη εξουσιοδοτημένων χρηστών σε ένα δίκτυο μπορεί να ακυρώσει την επίδραση τέτοιων φαινόμενων στη διαδικασία εντοπισμού. Έτσι έχουν αναπτυχθεί ποικίλες τεχνικές ανίχνευσης φάσματος βασισμένες στη συνεργασία των μη εξουσιοδοτημένων χρηστών. Η παρούσα εργασία υλοποιεί μια μέθοδο συνεργαζόμενης ανίχνευσης φάσματος που βασίζεται στην ενέργεια του σήματος. Λόγω του κινδύνου αλλοίωσης αποτελεσμάτων από την παρουσία κακόβουλων χρηστών σε συστήματα συνεργασίας, η τεχνική συνεργασίας που επιλέχθηκε εστιάζει στην προστασία του δικτύου από κακόβουλους χρήστες. Μια τέτοια τεχνική θα συγκέντρωνε όλη την απαιτούμενη επεξεργαστική ισχύ σε έναν μη εξουσιοδοτημένο χρήστη που θα αποτελούσε το κέντρο παραγωγής των αποφάσεων-το fusion center. Στην εργασία αυτή η απαιτούμενη επεξεργαστική ισχύς κατανέμεται σε όλους τους μη εξουσιοδοτημένους χρήστες. Αυτό επιτυγχάνεται εισάγοντας ένα επιπλέον βήμα στη διαδικασία. Οι μη εξουσιοδοτημένοι χρήστες εκτελούν αρχικά μια νέα τεχνική ανίχνευσης φάσματος μεμονωμένα, ώστε η τελική απόφαση του fusion center να αφορά αυτές τις συχνότητες για τις οποίες δεν υπήρξε ταύτιση από την πλειοψηφία τους. Η νέα τεχνική που θα εκτελείται μεμονωμένα από τους μη εξουσιοδοτημένους χρήστες είναι μια τεχνική ανίχνευσης φάσματος που δεν διακρίνεται για τα καλά της αποτελέσματα και η μόνη εγγύηση που μπορεί να προσφέρει είναι ο ακριβής εντοπισμός των συχνοτήτων στις οποίες οι εξουσιοδοτημένοι χρήστες δεν μεταδίδουν, θυσιάζοντας πιθανώς κατειλημμένες συχνότητες. Η στοιχειώδης λειτουργία αυτής της τεχνικής σε συνδυασμό με τις ανύπαρκτες απαιτήσεις σε δεδομένα εκ των προτέρων γνωστά, την χαρακτηρίζει πλήρως κατάλληλη για πρώτο βήμα στη μέθοδο που αναπτύχθηκε. / Due to rapid growth of wireless communications and the massive use of them, the problem of sharing the radio spectrum, the main though finite source of wireless communication, made its appearance. The main radio spectrum access policy is to predefine users -named primary- for transmitting to particular radio frequencies. Nevertheless the authorization of the whole the radio spectrum, given the strong competition and the high financial cost for access, doesn’t exploit completely the source. On the contrary, researches have shown that only the 70 % of the radio spectrum is effectively used. The Cognitive Radio technology was developed with the prospect to achieve a more effective use of spectrum, by giving the chance of transmission to non authorization users -secondary- in frequencies which are partially or completely unoccupied with primary users’ signals, from the perspectives of time and space. Cognitive Radio technology applies two processes. At first it senses the spectrum current flow in particular space and time periods, then it dynamically sharing those available frequencies which it sensed, to secondary users. These processes named as Spectrum Sensing and Spectrum Access respectively. The only restriction define to that, transmitted signal of secondary users is forbidden from interfering with primary user signal. In this study, a method of Spectrum Sensing process and individual techniques will be developed. The main objective of Spectrum Sensing process is to determine primary users when they transmit to predefined frequencies. This can be accomplished provided that the signal of primary user can be received from secondary user. Signal deterioration due to channel conditions could be a reason for secondary users in order to not receive primary user signal. Some of these conditions are multipath, distance dependent path loss και shadowing phenomenon. Researches have shown that the secondary users’ cooperation can avoid the effect of those conditions in spectrum sensing process. Thus a variety of spectrum sensing techniques have been developed, which are based on secondary users’ cooperation. In the present study is performed an energy based cooperative spectrum sensing method. Due to the possibility of cooperating with malicious users in the process, the performed cooperation technique focuses on protection from malicious users. Note that such a technique will concentrate the whole computing power on a single secondary user, which one make the final decision and named fusion center. The method of this study distributes the computing power among all the secondary users. That happens by adding one more step in the process. Secondary users firstly execute a spectrum sensing technique individually, in order the process of fusion center to affect only those frequencies, which secondary individual decisions achieved a degree of unanimity for. The individual technique executed by secondary users is not typical of good results in sensing the primary users who transmit, however it gives a guarantee of small values in false alarm possibility. The fundamental operation of this technique in coexistence with very few a-priory requirements made it the appropriate technique for the first step of our method.