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Theses Year : 2011

Improvements of link performance and capacity in DSA systems

Améliorations des performances et de la capacité dans les systèmes d'accès dynamique au spectre

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Abstract

Recently, several studies initiated mainly by the Federal Communications Commission (FCC), which is charged with regulating communications by radio, television, wire, satellite and cable in US, have shown that the frequency spectrum is inefficiently exploited: some bands are highly crowded at some day hours or in certain dense urban areas while others remain poorly utilized. These problems, together with the rapid evolution of Cognitive Radio (CR) technology have pointed to the implementation of Dynamic Spectrum Access (DSA) in next generation wireless networks. The key promise of these systems is the possibility of highly flexible and efficient management and reuse of spectrum across all its dimensions. DSA systems use innovative spectrum management techniques, which allow different systems to share the same frequency band to utilize the radio spectrum in an efficient way. CR technology enables the development of intelligent and adaptive wireless communication systems that are able to work in an environment aware manner. DSA networks using CR technology are expected to provide significant throughput improvement and coverage extension for next generation wireless systems. During our research work, we propose different approaches to solve the dynamic spectrum access/allocation problem for future CR systems and we present some of the key research challenges associated with this new paradigm. For that purpose, we study Adhoc as well as cellular orientations allowing dynamic access to spectrum. Moreover, we investigate different network architectures for DSA, ranging from fully autonomous and distributed to fully centralized architectures in which dynamic access to spectrum is centrally managed. In addition, we also study two different techniques for spectrum sharing: Overlay and Underlay. Even if our proposals differ in the network orientation, in the network architecture and in the spectrum access technique for spectrum sharing, all of them have as goal the improvement of the link performance and the capacity of secondary networks while granting the activity of primary users (PUs). In this thesis, we firstly develop an extensive analysis of existing multi-channel MAC protocols for Ad-hoc networks. These protocols were proposed to increase network throughput, to improve spectrum utilization and to reduce interference caused by secondary use of the spectrum in an opportunistic (i.e. Overlay) manner. In our analysis we make a comparison of the key features of each protocol according to the number of transceivers, the need for synchronization, the need for a common control channel and the different ways to make rendezvous. By pinpointing the advantages, disadvantages and hardware requirements of each protocol, we facilitate the accurately selection of the appropriate solution to be implemented in future distributed DSA networks. Nevertheless, to obtain the necessary parameters for spectrum access in distributed Ad-hoc networks, a mobile station has to scan the entire spectrum looking for occupancy information. This scanning process may require a lot of time and can greatly impact the battery consumption in mobile devices. To overcome this problem, in this thesis we propose the use of a Cognitive Beacon Channel (CBC). This cognitive control channel helps to improve spectrum awareness by conveying signalization to mobile users in a multi-radio access technology environment and allows DSA using a centralized or a coordinated architecture. The main advantage of our proposal is the fact that our CBC re-use existing 3GPP technologies, proved to be efficient and accepted worldwide. The Interference Temperature model used for spectrum sharing is our last research axis. This approach is an Underlay technique in which secondary users (SUs) attempt to coexist with PUs instead of avoiding primary networks. Using the Poisson point process, we develop a new model to evaluate the achieved capacity of a secondary network, the interference caused to a primary network and the allowed transmission power of SUs to guarantee that activity of the PUs won't be affected by their transmissions. Afterwards, by the use of Concentration Inequalities, we determine an upper bound on the outage probability of the primary network when the SUs transmit following the Ideal and the Generalized Interference Temperature models. The results obtained from our research work indicate that efficient DSA is feasible and can be done with the current wireless technologies in the market. We also confirmed that reliable communication between SUs, preserving undisturbed at all time the activity of primary networks is possible following different DSA techniques and different DSA architectures for spectrum sharing. Thus, from our results we can state that by implementing the proposed techniques for the secondary use of the spectrum, we can improve the link performance and the capacity in future DSA systems.
Actuellement, les réseaux sans fil sont réglementés par une politique d'assignation des fréquences fixes (FSA). Dans ce modèle, le spectre radio disponible est divisé en blocs des fréquences fixes séparées par des bandes de garde. Ces blocs sont attribues à des technologies spécifiques, à des titulaires des licences ou à des services pendant des longues périodes. Cependant, cette approche fait obstacle au développement des nouvelles technologies sans fil et des équipes de communication car chaque nouvelle technologie radio à besoin de sa propre bande de fréquence pour fonctionner et ils restent très peu des bandes de fréquences à attribuer. En plus, des mesures d'occupation du spectre prouvent que l'attribution fixe de fréquences également se traduit par une faible efficacité dans l'utilisation du spectre de frequence, car une grande partie du spectre reste sous-utilisé. Ces observations ont motivé les organismes de réglementation pour rechercher des méthodes d'accès différentes pour résoudre les problèmes présentés ci-dessus. En conséquence, l'utilisation de la radio cognitive (CR) et de la technologie d'Accès Dynamique au Spectre (DSA) sont apparue comme des possibles solutions pour résoudre le manque d'efficacité dans l'utilisation du spectre en permettant le partage des bandes de frequence. Dans une telle approche, les utilisateurs secondaires (SUs) sont autorisés à accéder dynamiquement au spectre non-utilisé dans les bandes des utilisateurs primaires (PUs). Ces bandes non-utilisés sont communément appelées trous du spectre ou "Spectrum Holes". L'objectif de DSA est de maximiser l'utilisation du spectre sous licence par l'accès secondaire et, en même temps, promouvoir la mise en place rapide des nouvelles technologies et des services sans fil sans avoir besoin de mettre une toute nouvelle fréquence à cet effet. Tout ce processus est basé sur l'agilité de fréquence et l'intelligence offertes par la technologie de la CR. Au cours de nos travaux de recherche, différents scénarios de DSA ont été étudiés. Ces scénarios diffèrent dans l'architecture du réseau (c.-à-d. distribuée ou centralisée) et dans l'orientation du réseau (c.-à-d. Ad-hoc ou cellulaire). Nous avons également analysé deux techniques différentes pour l'utilisation secondaire du spectre dans le contexte de la radio cognitive. Une des techniques est dans la forme de recouvrement ou "Overlay", qui est l'utilisation opportuniste des bandes non-utilisées dans le spectre des PUs par les SUs équipés de la CR. L'autre technique est sous la forme de sous-couche ou "Underlay", ce qui impose des restrictions sévères sur les niveaux de puissance de transmission des SUs. Notre objectif est de fournir des solutions pour améliorer la performance et la capacité des systèmes de DSA en utilisant la technologie de la CR, tout cela sans changements majeurs dans les courants architectures sans fil. Les résultats obtenus à partir de notre travail de recherche ont indiqué que un DSA efficace est réalisable et peut se faire avec les technologies sans fil actuelles qui existent sur le marché. Nous avons également confirmé que la communication fiable entre les utilisateurs secondaires, en préservant intact à tout moment l'activité de réseaux primaires, est possible en utilisant différentes techniques et différentes architectures de DSA pour le partage du spectre. Ainsi, à partir de nos résultats, nous pouvons affirmer qu'en mettant en application les techniques proposées pour l'utilisation secondaire du spectre, nous pouvons améliorer la performance de la liaison et de la capacité dans les futurs systèmes de DSA.
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Dates and versions

pastel-00699924 , version 1 (22-05-2012)

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  • HAL Id : pastel-00699924 , version 1

Cite

Rodrigo Soule de Castro. Improvements of link performance and capacity in DSA systems. Networking and Internet Architecture [cs.NI]. Télécom ParisTech, 2011. English. ⟨NNT : 2011ENST0054⟩. ⟨pastel-00699924⟩
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