Title Metoda detekcije energije u MIMO-OFDM kognitivnim radijskim mrežama primjenom tehnike kombiniranja kvadriranih prijemnih signala
Title (english) Rad ne sadrži naslov na drugom jeziku.
Author Ivana Ramljak https://orcid.org/0000-0002-9414-5897
Mentor Josip Lörincz https://orcid.org/0000-0001-7691-582X (mentor)
Mentor Dinko Begušić (komentor)
Committee member Joško Radić https://orcid.org/0000-0003-0518-5422 (predsjednik povjerenstva)
Committee member Josip Lörincz https://orcid.org/0000-0001-7691-582X (član povjerenstva)
Committee member Dinko Begušić (član povjerenstva)
Committee member Matko Šarić https://orcid.org/0000-0001-9752-9653 (član povjerenstva)
Committee member Gordan Šišul (član povjerenstva)
Granter University of Split Faculty of Electrical Engineering, Mechanical Engineering and Naval Architecture (Department of Electronics and Computing) Split
Defense date and country 2023-07-03, Croatia
Scientific / art field, discipline and subdiscipline TECHNICAL SCIENCES Electrical Engineering Telecommunications and Informatics
Universal decimal classification (UDC ) 621.3 - Electrical engineering
Abstract Zbog sve većeg korištenja bežičnih komunikacijskih tehnologija koje omogućuju prijenos podataka velikim brzinama, slobodni dijelovi frekvencijskog spektara su postali vrlo ograničen i tražen resurs. Regulatorna tijela zadužena za dodjelu licenci za korištenje određenih frekvencijskih opsega provode raspodjelu prava na korištenje raspoloživog frekvencijskog spektra koji je vrlo ograničen, zbog čega razvoj novih i proširenje postojećih bežičnih komunikacijskih sustava predstavlja poseban izazov. Također, brojna istraživanja pokazuju da nedovoljna fleksibilnost u načinu pristupa spektru predstavlja veći problem od samog fizičkog nedostatka spektralnih resursa. Koncept kognitivnih radijskih mreža predstavlja potencijalno rješenje za efikasnije korištenje spektralnih resursa. U ovom radu obrađuje se problematika očitavanja raspoloživosti frekvencijskog spektra u sustavima s jednim (engl. singe-input single-output - SISO) i više (engl. mutiple-input multiple-output - MIMO) primopredajnika na strani primarnih i sekundarnih korisnika u oktogonalno frekvencijski mutipleksiranim (engl. Orthogonal Frequency Devision Multiplexing - OFDM) kognitivnim radijskim mrežama. U radu je problematika očitavanja raspoloživosti radio-frekvencijskog (engl. radio frequency –RF) spektra analizirana primjenom metode detekcije energije (engl. energy detection) spektra signala primarnog korisnika na mjestu sekundarnog korisnika. Ova metoda je odabrana za analizu zbog jednostavnosti implementacije, što je čini i najviše u praksi korištenom metodom očitavanja raspoloživosti RF spektra. U radu je pokazano da na vjerojatnost pouzdanog očitavanja raspoloživosti frekvencijskog spektra značajno utječu karakteristike signala koji se odašilje te način detekcije signala licenciranog (primarnog) korisnika. Pokazano je da poseban utjecaj na pouzdanost detekcije signala primarnog korisnika na mjestu sekundarnog korisnika imaju vrijednost omjera snage signala i šuma (engl. signal-to-noise ratio - SNR), snaga odašiljanja signala primarnog korisnika, broj antena na strani predajnika (primarnog korisnika) i prijemnika (sekundarnog korisnika), broj uzoraka u procesu detekcije signala te utjecaj varijacije (nesigurnosti) snage šuma i postavljenog praga detekcije signala. Stoga je u doktorskom radu opisan i matematički modeliran način detekcije signala primarnog korisnika metodom detekcije energije u SISO i MIMO OFDM sustavima temeljen na tehnici kombiniranja kvadriranih prijemnih signal (engl. square-law combining – SLC) od strane sekundarnog korisnika. Na temelju razvijenog matematičkog modela, razvijeni su i algoritmi za provođenje procesa očitavanja raspoloživosti frekvencijskog spektra metodom detekcije energije u SISO i MIMO komunikacijskim sustavima. Pomoću razvijenih algoritama u programu Matlab, provedena je opsežna simulacijska analiza vjerojatnosti detekcije signala primarnog korisnika u ovisnosti o vjerojatnosti pogrešnog alarma te vrijednosti omjera snage signala i šuma (engl. signal-to-noise ratio - SNR) na mjestu detekcije signala. Navedene međuovisnosti simulacijski su analizirane za različite vrijednosti snaga odašiljanja, modulacijske tehnike OFDM signala, broja uzoraka korištenih u postupku detekcije signala, broja primopredajnih krugova na strani primarnog i sekundarnog korisnika te nesigurnosti (varijacije) snage šuma i dinamičkog praga detekcije signala. Funkcionalnost razvijenih algoritama je također praktično testirana u postupku detekcije raspoloživosti lokalnog frekvencijskog spektra za dva različita frekvencijska područja primjenom univerzalnog programski definiranog radija (engl. universal software defined radio – USRP) upravljanog pomoću Matlab programskog alata. Znanstveni doprinos doktorske disertacije se ogleda u razvoju nove metode za očitanje raspoloživosti frekvencijskog spektra u MIMO-OFDM kognitivnim radijskim mrežama primjenom metode detekcije energije temeljene na zakonu kombiniranog kvadriranja signal (SLC). Na temelju razvijenog matematičkog modela napravljen je originalni algoritam za računalnu simulaciju predložene metode koja omogućava procjenu pouzdanosti nove metode u ovisnosti o različitim utjecajnim parametrima u MIMO-OFDM komunikacijskim sustavima. Razvijen je model koji omogućuje analizu djelovanja nesigurnosti snage šuma i prilagodbe dinamičkog praga detekcije na učinkovitost i pouzdanost očitavanja raspoloživog frekvencijskog spektra metodom detekcije energije u ovisnosti o različitim utjecajnim parametrima. Ovo posebice uključuje različite vrste OFDM modulacije, vrijednosti omjera snage signala i šuma (SNR-a) na mjestu sekundarnog korisnika, vjerojatnosti pogrešnog alarma, broja primopredajnih krugova na strani primarnog i sekundarnog korisnika, odašiljačku snagu primarnog korisnika i broj uzoraka korištenih u procesu detekcije. Analiza simulacijskih rezultata ukazuje da se vjerojatnost detekcije signala primarnog korisnika primjenom metode detekcije energije tehnikom kombiniranja kvadriranih prijemnih signala povećava, ukoliko se proces osluškivanja raspoloživosti spektra provodi: s većim brojem uzoraka, za veće odašiljačke snage primarnog korisnika, s većim brojem prijamnih antena na strani sekundarnog korisnika i za veće omjere snage signala i šuma na lokaciji sekundarnog korisnika. Nadalje, simulacijski rezultati ukazuju da različite vrste OFDM modulacija nemaju utjecaj na pouzdanost detekcije signala primarnog korisnika. Rezultati ostvareni u doktorskoj disertaciji bit će prošireni u budućim istraživanjima koja će biti posvećena analizi učinkovitosti predloženog modela detekcije raspoloživosti radio frekvencijskog spektra u masivnim MIMO (engl. massive MIMO) OFDM komunikacijskim sustavima.
Abstract (english) Due to the increased use of wireless communication technologies that enable data transmission at high speeds, unused parts of the frequency spectrum have become very limited. The regulatory bodies in charge of granting licenses for the use of certain frequency bands carry out the distribution of the rights for using the available and very limited frequency spectrum. This is the reason why the development of new and expansion of existing wireless communication systems represents a special challenge. Also, numerous studies show that insufficient flexibility in the way to access the frequency spectrum becomes a larger problem than the physical lack of spectrum resources. The concept of cognitive radio networks represents a potential solution for more efficient use of spectrum resources. This doctoral thesis deals with the problem of detecting the availability of the radio-frequency (RF) spectrum in systems with one (singe-input single-output - SISO) and multiple (multiple-input multiple-output - MIMO) transceivers on the side of primary and secondary users in OFDM cognitive radio networks. In the paper, the problem of detecting the availability of the radio frequency spectrum is analyzed using the method of primary user signal energy detection at the location of the secondary user. This method was chosen for analysis in this doctoral thesis due to its simplicity of implementation, which makes it the most widely used method of detecting RF spectrum availability in practice. The results presented in this doctoral thesis showed that the probability of reliable detection of the frequency spectrum availability is significantly influenced by the characteristics of the signal transmitted and the method of detecting this transmitted signal of the licensed (primary) user. It has been shown that the signal-to-noise ratio (SNR), the signal transmission power of the primary user, the number of antennas on the transmitter and receiver (secondary user) side, the number of samples used in the signal detection process, the influence of the variation (uncertainty) of the noise power and the set signal detection threshold, have a special influence on the reliability of the detection of the primary user's signal at the secondary user's location. Therefore, the method of detecting the signal of the primary user using the energy detection approach in SISO and MIMO OFDM systems based on the received sigla square-law combining (SLC) technique performed by the secondary user is proposed and mathematically modeled in the doctoral thesis. Based on the developed mathematical model, algorithms were also developed for carrying out the process of detecting the availability of the frequency spectrum using the method of energy detection in SISO and MIMO OFDM communication systems. Using algorithms developed in the Matlab program, an extensive simulation analysis of the probability of detection of the primary user signal was carried out, with respect to the level of the probability of a false alarm and the value of the signal-to-noise ratio (SNR) at the point of signal detection. The aforementioned interdependencies were analyzed by Matlab simulations for different values of primary user transmit powers, OFDM signal modulation techniques, number of signal samples in the signal detection process, number of transmission circuits (antennas) on the side of the primary and secondary user, uncertainties (variations) of the signal noise power and dynamic detection thresholds. The functionality of the developed algorithms was also practically tested in the process of detecting the availability of the local frequency spectrum in two different frequency spectrums using universal software-defined radio (USRP) programmed using Matlab software. The scientific contribution of the doctoral dissertation is in the development of a new method for detecting the availability of the frequency spectrum in MIMO-OFDM cognitive radio networks using the energy detection method based on the square-law combining (SLC) technique. According to the developed mathematical model, a novel algorithm was created for the computer simulation of the proposed method, which enables the reliability assessment of the new method depending on different influencing parameters in MIMO-OFDM communication systems. A model of the influence of the noise power uncertainty and dynamic detection threshold adjustment on the efficiency and reliability of detecting the available frequency spectrum using the energy detection method was developed. The developed model enables analyses of primary user energy detection reliability with respect to the impact of various influencing parameters. In particular, these parameters include different types of OFDM modulation types, signal power to noise ratio (SNR) values at the secondary user location, false alarm probabilities, numbers of transceiver circuits at the primary and secondary user sides, primary user transmit power and the number of samples used in the detection process. The analysis of the simulation results indicates an increase in the probability of detection of the primary user signal when using the method of energy detection based on the square-law combining (SLC) technique. This increase in the probability of detection spectrum availability is achieved if the process of detecting spectrum availability is carried out for a larger number of samples, a higher transmit powers of the primary user, a larger number of receiving antennas on the side of the secondary user and for higher signal power to noise ratios at the location of the secondary user. Furthermore, the simulation results indicate that different types of OFDM modulations have no influence on the reliability of the primary user's signal detection. The results achieved in the doctoral dissertation will be expanded in future research, which will be devoted to the analysis of the effectiveness of the proposed radio frequency spectrum availability detection model in massive MIMO OFDM communication systems.
Keywords
Kognitivne radijske mreže
očitavanje spektra
detekcija energije
OFDM
MIMO
SISO
primarni korisnik
sekundarni korisnik
vjerojatnost detekcije signala
vjerojatnost pogrešnog alarma
omjer snage signala i šuma
nesigurnost snage šuma
dinamički prag detekcije
kombinirani kvadrirani zakon prijemnih signala
Keywords (english)
Cognitive radio networks
spectrum sensing
energy detection
OFDM
MIMO
SISO
primary user
secondary user
probability of detection
probability of false alarm
noise uncertainty
detection threshold
dynamic threshold
square low combine
Language croatian
URN:NBN urn:nbn:hr:179:493254
Promotion 2023
Study programme Title: Electrical Engineering and Information Technology Study programme type: university Study level: postgraduate Academic / professional title: doktor/doktorica znanosti, područje tehničkih znanosti, polje elektrotehnika (doktor/doktorica znanosti, područje tehničkih znanosti, polje elektrotehnika)
Type of resource Text
Extent 205 str.
File origin Born digital
Access conditions Open access
Terms of use
Created on 2023-07-24 12:23:24