Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2015. / Submitted by Tania Milca Carvalho Malheiros (tania@bce.unb.br) on 2016-02-01T14:42:19Z No. of bitstreams: 1 2015_AnnitadeOliveiraPetrocchiRibas .pdf: 1074504 bytes, checksum: 58533254cb870707c878743ee4ef1440 (MD5) / Approved for entry into archive by Patrícia Nunes da Silva(patricia@bce.unb.br) on 2016-02-02T11:40:41Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2015_AnnitadeOliveiraPetrocchiRibas .pdf: 1074504 bytes, checksum: 58533254cb870707c878743ee4ef1440 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-02-02T11:40:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2015_AnnitadeOliveiraPetrocchiRibas .pdf: 1074504 bytes, checksum: 58533254cb870707c878743ee4ef1440 (MD5) / Este trabalho tem como objetivo estudar e investigar sistemas de rádios cognitivos operando por meio de sensoriamento do espectro utilizando detecção de energia baseada em dois limiares de detecção em canais sob desvanecimento generalizado kappa-mu. Neste contexto, são obtidas formulações e analisada a capacidade do sistema proposto. Para isso, utilizam-se duas métricas: curvas ROC (do inglês Receiver Operating Characteristics} e AUC (do inglês Area Under the ROC curve). Nas curvas ROC é possível investigar a probabilidade de não detecção (Pm, do inglês missing probability) versus a probabilidade de falso alarme (Pf, do inglês false-alarm probability). Nesta dissertação, curvas ROC são obtidas para diferentes valores dos parâmetros físicos da distribuição kappa-mu considerando os modelos de um limiar de detecção e dois limiares de detecção por energia, e estas curvas são comparadas para demonstrar o efeito de ambos os esquemas. Além disso, é analisado o impacto da incerteza na estimação da potência do ruído e o impacto da implementação de técnicas de diversidade espacial na performance do detector de dois limiares. Para os cenários de detecção por dois limiares de energia, análises numéricas e medições de campo são utilizadas para demonstrar a flexibilidade do modelo proposto sob ambientes de desvanecimento kappa-mu e incerteza no ruído. Para a métrica da área sob as Curvas ROC, diferentes cenários considerando desvanecimento, incerteza do ruído e diversidade são investigados, de forma a demonstrar a capacidade global de detecção do sistema. / This work's objective is to study the double threshold spectrum-sensing energy detection model for kappa-mu fading channels. Theoretical formulas will be obtained and help to analyze the channel's capability behavior for the proposed model. In order to do that, the ROC (Receiver Operating Characteristics) curve will be explained and the AUC (Area Under the ROC Curve) will be used as a way of measuring the performance of the system. In the ROC curve, it is possible to obtain the probability of miss detection (Pm) versus the probability of false alarm (Pf). Physical parameters are set using the kappa-mu distribution to generate different ROC curves for the single and double threshold models. Then, the graphics are compared so that both models characteristics and performance are better explained. Also, the uncertainty on the noise power estimation and diversity techniques are analyzed when using the double threshold model. Different scenarios considering noise uncertainty and diversity are investigated. Theoretical simulations are performed to better compare the ROC curves for these different scenarios using the single and double threshold models and considering fading.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2015. / Submitted by Fernanda Percia França (fernandafranca@bce.unb.br) on 2016-03-18T18:51:35Z No. of bitstreams: 1 2015_KimMoraesMota.pdf: 2053512 bytes, checksum: e83446c12f2f6335b56da16ea1566b39 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana(raquelviana@bce.unb.br) on 2016-03-21T21:13:26Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2015_KimMoraesMota.pdf: 2053512 bytes, checksum: e83446c12f2f6335b56da16ea1566b39 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-03-21T21:13:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2015_KimMoraesMota.pdf: 2053512 bytes, checksum: e83446c12f2f6335b56da16ea1566b39 (MD5) / A busca pela evolução tecnológica, que permita que as redes de telecomunicações se desenvolvam de forma inovadora, fomenta as pesquisas relacionadas às tendências, às perspectivas e às características das futuras redes de comunicação sem fio. Motivado pela exploração de futuras redes de telecomunicação, este trabalho apresenta a análise de capacidade do canal para redes sem fio operando na faixa de ondas milimétricas e em ambientes em desvanecimento, modelados pelas distribuições generalizadas α-µ e κ-µ. Mais especificamente, são exploradas a capacidade de canal, a capacidade ergódica e a capacidade de outage, considerando-se as frequências de 28 GHz, 38 GHz, 60 GHz e 73 GHz com 1 GHz de largura de banda. Ademais, são realizadas comparações de capacidade de sistemas móveis atuais com redes em ondas milimétricas. Esta dissertação de mestrado analisa também a capacidade de sistemas em cenário de compartilhamento espectral. São obtidas expressões gerais e exatas para a função de densidade de probabilidade, para a função de distribuição acumulada e para o valor médio da razão de variáveis aleatórias independentes e não identicamente distribuídas, modeladas pela distribuição η-µ. Por meio das expressões obtidas avalia-se a probabilidade de outage, a capacidade limitada ao atraso e a capacidade ergódica de redes em compartilhamento espectral. Os resultados obtidos permitem que se avaliem os limites teóricos da capacidade do tráfego de dados de redes operando em ondas milimétricas e de redes em cenário de compartilhamento espectral. ______________________________________________________________________________________________ ABSTRACT / The quest for technological evolution, that allows telecommunications networks are developed in an innovative way, promotes the researches related to trends, perspectives and characteristics of future wireless communication networks. Motivated by the exploitation of future telecommunication networks, this work presents the channel capacity analysis of wireless networks operating in the millimeter waves frequency range and in fading environments, modeled by α-µ and κ-µ generalized distributions. More specifically, the channel capacity, the ergodic capacity and outage capacity, considering the frequencies in 28 GHz, 38 GHz, 60 GHz and 73 GHz with 1 GHz bandwidth are exploited. Moreover, capacity comparisons are made between current mobile systems and millimeter wave networks. This work also analyzes the systems capability in spectrum sharing scenario. General and exact expressions for the probability density function, cumulative distribution function and for the average ratio of independent and not identically distributed η-µ random variables are obtained. From the obtained expression, the outage probability, the delay-limited capacity and the ergodic capacity in sharing spectrum systems are evaluated. The results allow us to evaluate the theoretical capacity limits of the network data traffic operating in millimeter waves and in spectral sharing scenarios.

Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2016-03-16T15:16:19Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Tese impressão.pdf: 3505544 bytes, checksum: fe69e61d521b559d8d4a2d273cdcbc16 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-03-16T15:16:19Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Tese impressão.pdf: 3505544 bytes, checksum: fe69e61d521b559d8d4a2d273cdcbc16 (MD5) Previous issue date: 2015-07-09 / A popularidade das redes de comunicação sem fio tem gerado dois grandes problemas: a escassez do espectro não licenciado e o aumento do consumo de energia. A abordagem de acesso oportunista ao espectro, por meio da tecnologia de Rádios Cognitivos (RC), tem sido utilizada como solução para a primeira questão. Neste contexto, o usuário primário (UP) possui a licença de uso de determinada faixa espectral, enquanto o usuário secundário (US) utiliza o espectro licenciado, de forma oportunista, sem causar interferência à comunicação primária. Do ponto de vista do consumo de energia, na literatura, são propóstos mecanismos energeticamente eficientes tanto para a ativação e desativação de elementos de rede (estações rádio-base e pontos de acesso) quanto para funções (seleção de canais). Adicionalmente, requisitos contraditórios como o consumo da bateria do dispositivo e as garantias de qualidade de serviço (QoS) das aplicações não têm sido contemplados satisfatoriamente pelos atuais mecanismos de controle de consumo de energia destas redes. Esta tese explora a sinergia entre o acesso oportunista e a utilização energeticamente eficiente dos recursos de rádio, visando a redução do consumo de energia, o aumento do tempo de vida da bateria de dispositivos móveis, bem como, garantias de QoS em redes de rádios cognitivos baseadas nos padrões IEEE 802.11af (White-Fi) e redes regionais IEEE 802.22 (WRAN). Diversas funções do ciclo cognitivo de RC, como seleção e chaveamento de canais, em geral, consideram apenas a atividade do UP na tomada de decisão. Nesta tese, propõe-se um novo modelo de disponibilidade de canal que considera, além do UP, o mecanismo de acesso ao meio e a influência dos demais usuários secundários presentes no sistema. Nesta tese são realizadas diversas análises em relação às estratégias de chaveamento de canais para o acesso oportunista, existentes na literatura, sob a perspectiva da eficiência energética. A partir das análises desenvolvidas, foram construídos modelos baseados em cadeias de Markov para as principais tecnologias de redes de rádios cognitivos com o intuito de representar a utilização do canal por parte dos USs. Estes modelos não sofrem com a explosão de estados presentes nas soluções da literatura e contemplam todos os principais parâmetros para o acesso oportunista. Com os modelos Markovianos propostos foi possível desenvolver algoritmos computacionalmente eficientes, O(nlog(n)), para a seleção de canais nas tecnologias de redes locais IEEE 802.11af (White-Fi) e redes regionais IEEE 802.22 (WRAN) considerando critérios de energia para a rede, dos dispositivos, bem como, os requisitos de QoS das aplicações. Para o White-Fi, o algoritmo proposto permitiu uma economia de até 72,2% (tanto na rede quanto no dispositivo) com uma eficiência energética (relação entre a taxa de transmissão e o consumo de energia) 68% superior ao esquema tradicional de seleção de canais. Para as redes WRAN, também foram realizadas diversas análises em relação ao acesso ao canal. A partir dos resultados das análises e do modelo proposto foi desenvolvido um algoritmo de seleção de canais que, no melhor caso, permitiu uma economia de energia de 94%, bem como, superioridade em termos de eficiência energética de até 93,4%. / The increasing popularization of wireless communication networks and services has led to the rise of two major problems: the non-licensed spectrum scarcity and the increasing of energy consumption. The opportunistic spectrum access approach, employed through the Cognitive Radio Network technology, has been used as a solution to the former issue. In this context, the Primary User owns the license of use of some spectrum bands while the Secondary User uses the licensed spectrum opportunistically, without causing harmful interferences to the primary communication. From the energy consumption point of view, on literature, researchers have proposed mechanisms to deliver energetic efficiency through the activation/deactivation of network elements (Base Stations and Access Points) or network function optimization (channel selection). However, contradictory requirements such as the device battery drain and the application Quality of Service guarantee have not been satisfactorily covered by current energetic efficient mechanisms. This thesis presents a study about the synergy between opportunistic access and the energetic efficiency of the radio resources utilization, aiming at reducing energy consumption, the increase of battery life time, as well as the guarantee of the Quality of Service in Cognitive Radio networks based on IEEE 802.11af (White-Fi) and IEEE 802.22 (WRAN) standards. Most functions of cognitive cycle such as the channel selection and switching, generally, consider only the Primary User activity to the decision making. In this thesis, it is proposed a new channel availability model that considers, in addition to Primary User information, the medium access mechanism and the other Secondary Users, all sharing the opportunities. In this thesis, several analyzes are carried out in relation to the channel switching strategies existing on literature, under the energetic efficiency perspective. From analyzes, models based on Markov chain formalism have been constructed to represent the channel utilization by Secondary Users. These models do not suffer with state explosion present on literature and include all main parameters to the opportunistic access. From the proposed markovian models, it was possible to develop algorithms computationally efficient (O(nlog(n))) to the channel selection on networks IEEE 802.11af and IEEE 802.22 considering the energy consumed by the entire network, by devices, as well as, the Quality of Service requirements. To the White-fi, the proposed algorithm allowed an economy of 72.2% in the best case with an energetic efficiency 68% superior to the traditional channel selection schemes. To WRAN networks, with the proposed algorithm, devices achieved an economy of 94%, as well as, an energetic efficiency 93.4% superior.

Submitted by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2014-11-28T12:18:45Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Camila Soares Barbosa - 2013.pdf: 840210 bytes, checksum: a7c84142e9c6b7a669f16d9057771acf (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2014-11-28T13:14:26Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Camila Soares Barbosa - 2013.pdf: 840210 bytes, checksum: a7c84142e9c6b7a669f16d9057771acf (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-11-28T13:14:26Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Camila Soares Barbosa - 2013.pdf: 840210 bytes, checksum: a7c84142e9c6b7a669f16d9057771acf (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Previous issue date: 2013-11-22 / One of the main challenges in Dynamic Spectrum Selection for Cognitive Radios is the choice of the frequency range for each transmission. This choice should minimize interference with legacy devices and maximize the discovering opportunities or white spaces. There are several solutions to this issue, and Reinforcement Learning algorithms are the most successful. Among them stands out the Q-Learning whose weak point is the parameterization, since adjustments are needed in order to reach successfully the proposed objective. In that sense, this work proposes an algorithm based on evolutionary strategy and presents the main characteristics adaptability to the environment and fewer parameters. Through simulation, the performance of the Q-Learning and the proposal of this work were compared in different scenarios. The results allowed to evaluate the spectral efficiency and the adaptability to the environment. The proposal of this work shows promising results in most scenarios. / Um dos principais desafios da Seleção Dinâmica de Espectro em Rádios Cognitivos é a escolha da faixa de frequência para cada transmissão. Essa escolha deve minimizar a interferência em dispositivos legados e maximizar a descoberta das oportunidades ou espaços em branco. Há várias soluções para essa questão, sendo que algoritmos de Aprendizado por Reforço são as mais bem sucedidas. Entre eles destaca-se o Q-Learning, cujo ponto fraco é a parametrização, uma vez que ajustes são necessários para que se alcance, com sucesso, o objetivo proposto. Nesse sentido, este trabalho propõe um algoritmo baseado em Estratégia Evolutiva e apresenta como características principais a adaptabilidade ao ambiente e a menor quantidade de parâmetros. Através de simulação, o desempenho do Q-Learning e da proposta deste trabalho foram comparados em diversos cenários. Os resultados obtidos permitiram avaliar a eficiência espectral e a adaptabilidade ao ambiente. A proposição deste trabalho apresentou resultados promissores na maioria dos cenários.