Performance analysis of cognitive radio networks and radio resource allocation

154 Pages·2016·2 MB·English

by  Suliman, Isameldin Mohammed

C575etukansi.kesken.fm Page 1 Thursday, June 2, 2016 12:50 PM
C OULU 2016
5 C 575
7
5
UNIVERSITY OF OULU P.O. Box 8000 FI-90014 UNIVERSITY OF OULU FINLAND
AACCTTAA
A UUNNIIVVEERRSSIITTAATTIISS OOUULLUUEENNSSIISS
A C T A U N I V E R S I T A T I S O U L U E N S I S C
T
A
CC
TTEECCHHNNIICCAA
Isameldin Mohammed Suliman
Professor Esa Hohtola Is PERFORMANCE ANALYSIS
a
m
e OF COGNITIVE RADIO
l
d
University Lecturer Santeri Palviainen i
n

M NETWORKS AND RADIO
o
h
Postdoctoral research fellow Sanna Taskila a RESOURCE ALLOCATION
m
m
e
Professor Olli Vuolteenaho d

S
u
l
i
m
a
University Lecturer Veli-Matti Ulvinen n
Director Sinikka Eskelinen
Professor Jari Juga
University Lecturer Anu Soikkeli
Professor Olli Vuolteenaho
UNIVERSITY OF OULU,
FACULTY OF INFORMATION TECHNOLOGY AND ELECTRICAL ENGINEERING;
CENTRE FOR WIRELESS COMMUNICATIONS
Publications Editor Kirsti Nurkkala
ISBN 978-952-62-1274-6 (Paperback)
ISBN 978-952-62-1275-3 (PDF)
ISSN 0355-3213 (Print)
ISSN 1796-2226 (Online)

ACTA UNIVERSITATIS OULUENSIS
C Technica 575
ISAMELDIN MOHAMMED SULIMAN
PERFORMANCE ANALYSIS OF
COGNITIVE RADIO NETWORKS
AND RADIO RESOURCE
ALLOCATION
Academic dissertation to be presented with the assent of
the Doctoral Training Committee of Technology and
Natural Sciences of the University of Oulu for public
defence in the OP auditorium (L10), Linnanmaa, on 12
July 2016, at 12 noon
UNIVERSITY OF OULU, OULU 2016
Copyright © 2016
Acta Univ. Oul. C 575, 2016
Supervised by
Docent Janne Lehtomäki
Reviewed by
Professor Riku Jäntti
Professor Ferran Casadevall
Opponent
Professor Mohammed Salem Elmusrati
ISBN 978-952-62-1274-6 (Paperback)
ISBN 978-952-62-1275-3 (PDF)
ISSN 0355-3213 (Printed)
ISSN 1796-2226 (Online)
Cover Design
Raimo Ahonen
JUVENES PRINT
TAMPERE 2016
Suliman, Isameldin Mohammed, Performance analysis of cognitive radio networks
and radio resource allocation.
University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering; Centre for
Wireless Communications
Acta Univ. Oul. C 575, 2016
University of Oulu, P.O. Box 8000, FI-90014 University of Oulu, Finland
Abstract
Cognitive radio (CR) is becoming a promising tool for solving the problem of the scarce radio
resource and spectrum inefficiency. Spectrum sensing (signal detection) enables real-time
detection of spectrum holes by unlicensed secondary users (SUs) in cognitive radio networks
(CRNs). In this thesis, performance analysis of CRNs and radio resource allocation are considered.
A continuous time Markov chain (CTMC) based analytical model taking into account all relevant
elements as well as addressing the issue of the false alarm rate (FAR) associated with the
continuous sensing is developed.
In some cases, the PU can be modeled as time-slotted with constant state (transmitting or not)
in each slot. In this case, assuming SU can synchronize to the slots, its intuitive to use beginning
of a slot for sensing and rest (possibly) for communication. For this model, M/D/1 priority
queueing scheme has been applied in this thesis to find waiting time and queue length for PU and
SU.
Multiple access among SUs in a time-slotted channel is considered next. A conventional
method is e.g. using a channel access probability ψ in each slot similar to the slotted ALOHA. A
radically new idea is introduced in this thesis: why not increase the false alarm probability PFA of
each SU and use it as a multiple access method?
A game theoretic approach to radio resource allocation for the downlink capacity providing fair
resource sharing among mobile nodes located along a multihop link is presented. Furthermore, the
problem of resource allocations in heterogeneous wireless networks is also studied.
Finally, device-to-device (D2D) communication - with localized distribution, where users tend
to gather around some areas (clusters/hot-spots) within the cell such as buildings is studied.
Theoretical analysis with two dimensional clustering is presented including cases with correlated
clusters. Correlation in cluster selection is shown to significantly improve performance.
Keywords: cognitive radios network, cooperative games, direct communication, false
alarm rate, performance analysis, resource allocation, spectrum sensing

Suliman, Isameldin Mohammed, Kognitiivisten radioverkkojen ja
resurssiallokaation suorituskykyanalyysi.
Oulun yliopisto, Tieto- ja sähkötekniikan tiedekunta; Centre for Wireless Communications
Acta Univ. Oul. C 575, 2016
Oulun yliopisto, PL 8000, 90014 Oulun yliopisto
Tiivistelmä
Kognitiivinen radio (CR) on nousemassa lupaavaksi työkaluksi niukkojen radioresurssien ja
spektrin käytön tehottomuuden ratkaisemisessa. Spektrin nuuskiminen (signaalin ilmaisu) mah-
dollistaa spektriaukkojen reaaliaikaisen tunnistamisen toissijaisten käyttäjien (SU) toimesta kog-
nitiivisissa radioverkoissa (CRN). Tässä väitöskirjassa painotus on CRN verkkojen suoritusky-
kyanalyysissa ja radioresurssien hallinnassa. Työssä kehitetään jatkuva-aikaiseen Markov ket-
juun (CTMC) perustuva analyyttinen malli joka ottaa huomioon kaikki olennaiset asiat mukaan
lukien jatkuva-aikaiseen spektrin nuuskimiseen liittyvän väärien hälytysten tiheyden (FAR).
Joissakin tapauksissa PU:ta voidaan mallintaa aikajaoteltuna siten että PU:n tila on vakio
kussakin aikavälissä. Olettaen että SU voi synkronoitua aikaväleihin, on intuitiivista käyttää
aikavälin alkua nuuskimiselle ja loppuosaa (mahdollisesti) viestintää varten. M/D/1:n ensisijai-
suus-jonotus-suunnitelmaa soveltamalla tässä väitöskirjassa saadaan tuloksia odotusajalle ja
jonon pituudelle sekä SU:lle että PU:lle.
Seuraavaksi käsitellään monikäyttöä SU:den joukossa aikajaotellussa kanavassa. Tavanomai-
nen menetelmä käyttää esimerkiksi kanavapääsytodennäköisyyttä ψ kussakin aikavälissä vasta-
ten aikajaoteltua ALOHA protokollaa. Tässä väitöskirjassa esitetään radikaali uusi idea: miksei
lisätä väärän hälytyksen todennäköisyyttä kussakin SU:ssa ja käytetä sitä moniliittymämenetel-
mänä?
Työssä esitetään peliteoreettinen lähestymistapa radioresurssien allokointiin siten että resurs-
sit jaetaan oikeudenmukaisesti monen yhteysvälin linkeissä. Lisäksi tutkitaan myös resursoinnin
ongelmaa heterogeenisissa langattomissa verkoissa.
Lopuksi tutkitaan laitteiden välistä suoraa viestintää (D2D) paikallisen jakauman kanssa, jos-
sa käyttäjillä on tapana kasaantua solun sisällä esim. rakennuksiin. Esitetään teoreettinen analyy-
si kaksiulotteisella klusteroinnilla myös korreloitujen ryhmien kanssa. Osoitetaan että korrelaa-
tio ryhmän valinnassa parantavaa merkittävästi suorituskykyä.
Asiasanat: kognitiiviset radioverkot, laitteiden välinen suora viestintä, resursointi,
spektrin nuuskiminen, tulosanalyysi, väärien hälytysten tiheys, yhteistoiminnalliset pelit

Dedicated to my family
8