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.

abstract: This thesis aims to investigate the capacity and bit error rate (BER) performance of multi-user diversity systems with random number of users and considers its application to cognitive radio systems. Ergodic capacity, normalized capacity, outage capacity, and average bit error rate metrics are studied. It has been found that the randomization of the number of users will reduce the ergodic capacity. A stochastic ordering framework is adopted to order user distributions, for example, Laplace transform ordering. The ergodic capacity under different user distributions will follow their corresponding Laplace transform order. The scaling law of ergodic capacity with mean number of users under Poisson and negative binomial user distributions are studied for large mean number of users and these two random distributions are ordered in Laplace transform ordering sense. The ergodic capacity per user is defined and is shown to increase when the total number of users is randomized, which is the opposite to the case of unnormalized ergodic capacity metric. Outage probability under slow fading is also considered and shown to decrease when the total number of users is randomized. The bit error rate (BER) in a general multi-user diversity system has a completely monotonic derivative, which implies that, according to the Jensen's inequality, the randomization of the total number of users will decrease the average BER performance. The special case of Poisson number of users and Rayleigh fading is studied. Combining with the knowledge of regular variation, the average BER is shown to achieve tightness in the Jensen's inequality. This is followed by the extension to the negative binomial number of users, for which the BER is derived and shown to be decreasing in the number of users. A single primary user cognitive radio system with multi-user diversity at the secondary users is proposed. Comparing to the general multi-user diversity system, there exists an interference constraint between secondary and primary users, which is independent of the secondary users' transmission. The secondary user with high- est transmitted SNR which also satisfies the interference constraint is selected to communicate. The active number of secondary users is a binomial random variable. This is then followed by a derivation of the scaling law of the ergodic capacity with mean number of users and the closed form expression of average BER under this situation. The ergodic capacity under binomial user distribution is shown to outperform the Poisson case. Monte-Carlo simulations are used to supplement our analytical results and compare the performance of different user distributions. / Dissertation/Thesis / M.S. Electrical Engineering 2012

Abstract Radio communication is used in increasingly diversified device typologies. Telecommunications with a reduced detrimental impact on health and environment, and an improved cost-efficiency and working lifetime are expected by institutions, end-users, operators and manufacturers. Moreover, with more networks present or more articulated systems, dependability of the entirety is to be ensured. The related need of efficiency in various compartments – such as in the use energy or the radio spectrum – and of effectiveness in adapting to changing operating conditions can be achieved with cognitive features. This dissertation addresses network reconfiguration and dependability by cognitive measures from multiple perspectives – each covered by a respective part of this work – providing guidelines for cognitive networks design. A rationalising view on cognitive networks with related taxonomies and models includes a discussion on the dynamics and interactions in networks operating closely and simultaneously (here, concurrent networks). While cognitive domains are specified for cognitive functions, with a more generic scope control functions are assigned to topological domains. This allows a flexible exploitation of the system design by decoupling the specification of system functions from their mapping onto network devices that will host them. As interaction plays an important role in many topical scenarios, a model for networked engineered cognitive entities comprising four categories (observation, interworking, consolidation, operation) and two levels (a cognitive frontier and a metacognitive hub) is presented here. Its cognitive phases are considered with regard to the other architectural elements. Moving the focus down to the levers for exploitation of context awareness, are presented solutions for efficient use of resources and dependability in general, considering the network dynamics. For communication link and network adaptation, the effective capacity is captured by a compact-form expression also considering imperfections, while learning is exploited for reducing overhead, and collaboration for fairly maximising energy save. / Tiivistelmä Käyttäjät, operaattorit ja laitevalmistajat toivovat tulevilta tietoliikennejärjestelmiltä sekä aiempaa pienempiä haitallisia vaikutuksia terveyteen ja ympäristöön että parannettua kustannustehokkuutta ja toiminta-aikaa. Lisäksi olisi varmistettava useiden verkkojen ja niiden muodostamien monimutkaisten järjestelmien kokonaisuuden luotettava toiminta. Tarvittava tehokkuus energian ja radioresurssien käytössä, samoin kuin kyky sopeutua muuttuviin käyttötilanteisiin, voidaan saavuttaa kognitiivisilla radioteknikoilla. Tämä väitöskirja käsittelee kognitiivisten menetelmien tuomaa radioverkkojen mukauttamista ja luotettavuutta eri näkökulmista. Samalla esitetään kognitiivisten verkkojen suunnittelun periaatteita ja lähtökohtia. Väitöskirja sisältää katsauksen kognitiivisiin radioverkkoihin niihin liittyvine luokitteluineen ja malleineen, sekä tarkastelee samanaikaisesti ja läheisesti toimivien verkkojen (rinnakkaisten verkkojen) dynamiikkaa ja vuorovaikutuksia. Työssä määritetään kognitiiviset lohkot kognitiivisine toimintoineen, kun taas topologiset tasot hallintatoimintoineen määritetään yleisemmin. Tämä mahdollistaa järjestelmäsuunnittelun joustavan hyödyntämisen erottamalla järjestelmän toimintojen määrittelyn toteuttavista verkkolaitteista. Koska vuorovaikutus on merkittävä tekijä useissa sovellusskenaarioissa, verkottuneille keinotekoisille kognitiivisille yksiköille ehdotetaan tässä neljä luokkaa (havainnointi, yhteistoiminta, vakauttaminen, toiminta) sekä kaksi vyöhykettä (kognitiivinen raja-alue ja metakognitiivinen keskus) sisältävää mallia. Mallin kognitiiviset vaiheet käsitellään suhteessa muihin arkkitehtuurin elementteihin. Järjestelmän kontekstitietoisuuden hyväksikäyttöön liittyen esitetään ratkaisuja resurssien tehokkaaseen käyttöön ja yleisemmin luotettavuuteen ottaen huomioon verkkojen dynamiikkaa. Yhteyksien ja verkkojen mukauttamisesta esitetään analyyttinen ratkaisu saavutettavan tehollisen kapasiteetin määrittämiseksi, huomioiden mahdolliset epäideaalisuudet. Kognitiivista oppimista hyödynnetään hallintalikenteen vähentämiseksi ja yhteistyötä energiansäästön maksimoimiseksi verkon alueella tasapuolisesti.