Cognitive Radio, Software Defined Radio, and Adaptive Wireless Systems

【实例截图】

【核心代码】

Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
1 Introducing Adaptive, Aware, and Cognitive Radios
Bruce Fette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 In the Beginning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.1 Support for the User. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.2 Support for the Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.3 Support for the Network Operator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.4 Support for the Regulatory Organization(s). . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.5 Support for the Spectrum Owner & Users . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Economics of Cognitive Radio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.1 Value of Spectrum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.2 Spectrum Adaptivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.3 Smart Antennas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.4 MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.5 Spectrum Subleasing, Sharing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.6 Local Statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.7 Peaking Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.8 Spectrum Leasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.9 Spectrum Awareness Databases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.10 Value of Concierge Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.11 Cognition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2 Cognitive Networks
Ryan W. Thomas, Daniel H. Friend, Luiz A. DaSilva,
and Allen B. MacKenzie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.2 Motivation and Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.3 A Simple Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
vi Contents
2.2 Foundations and Related Work. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.1 Cognitive Radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.2 Cross-layer Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.3 Recent Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.1 User/Application/Resource Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.2 Cognitive Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.3 Software Adaptable Network. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4 A Cognitive Network for Multicast Lifetime. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.1 Problem Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.2 Cognitive Network Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.5 Future Questions and Research Areas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3 Cognitive Radio Architecture
Joseph Mitola III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1.1 Ideal CRs Know Radio Like TellMe
R ?
Knows
800 Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.1.2 CRs See What You See, Discovering RF Uses, Needs,
and Preferences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1.3 Cognitive Radios Hear What you Hear,
Augmenting your Personal Skills . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.1.4 CRs Learn to Differentiate Speakers to Reduce Confusion . . 48
3.1.5 More Flexible Secondary Use of Radio Spectrum . . . . . . . . . . 49
3.1.6 SDR Technology Underlies Cognitive Radio. . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.7 Privacy is Paramount . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.1.8 Military Applications Abound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.9 Quality of Information (QoI) Metric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.10 Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2 CRA I: Functions, Components and Design Rules . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.2.1 iCR Functional Component Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.2.2 SDR Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2.3 iCR Node Functional Components. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2.4 The Ontological <Self/> . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2.5 Design Rules Include Functional Component Interfaces. . . . . 60
3.2.6 Near Term Implementations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2.7 The Cognition Components. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.2.8 Radio Knowledge in the Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.2.9 User Knowledge in the Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2.10 Cross-domain Grounding for Flexible Information Services. . 68
3.2.11 Self-Referential Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.2.12 Self-Referential Inconsistency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Contents vii
3.2.13 Watchdog Timer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.2.14 Flexible Functions of the Component Architecture . . . . . . . . . 73
3.3 CRA II: The Cognition Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.3.1 The Cognition Cycle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.3.2 Observe (Sense and Perceive) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.3.3 Orient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.3.4 Plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.3.5 Decide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.3.6 Act. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.3.7 Learning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.3.8 Self Monitoring Timing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.3.9 Retrospection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.3.10 Reaching Out . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.4 CRA III: The Inference Hierarchy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.4.1 Atomic Stimuli. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.4.2 Primitive Sequences: Words and Dead Time . . . . . . . . . . . . . . 83
3.4.3 Basic Sequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.4.4 Natural Language in the CRA Inference Hierarchy. . . . . . . . . 83
3.4.5 Observe-Orient Links for Scene Interpretation. . . . . . . . . . . . . 85
3.4.6 Observe-Orient Links for Radio Skill Sets. . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.4.7 General World Knowledge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.5 CRA V: Building the CRA on SDR Architectures . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.5.1 SWR and SDR Architecture Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.5.2 Radio Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.5.3 The SCA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.5.4 Functions–Transforms Model of Radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.5.5 Architecture Migration: From SDR to iCR . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.5.6 Cognitive Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.5.7 When Should a Radio Transition towards Cognition? . . . . . . 98
3.5.8 Radio Evolution towards the CRA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.5.9 Cognitive Radio Architecture Research Topics . . . . . . . . . . . . 100
3.5.10 Industrial Strength iCR Design Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.6 Summary and Future Directions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.6.1 Architecture Frameworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.6.2 Industrial Strength Architecture. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.6.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4 Software Defined Radio Architectures for Cognitive Radios
Hüseyin Arslan and Hasari Celebi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.2 SDR and Cognitive Radio Relationship. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.3 SDR Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.3.1 Ideal SDR Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.3.2 Realistic SDR Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
viii Contents
4.4 Software Tunable Analog Radio Components. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.4.1 Software Tunable-Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.4.2 Software Tunable Power Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.4.3 Software Tunable-Duplexing Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.4.4 Software Tunable Antenna Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.4.5 Software Tunable Impedance Synthesizers . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.4.6 Software Tunable-Power Management Circuitry . . . . . . . . . . . 120
4.4.7 Software Tunable Data Converters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.4.8 Software Tunable-Upconverters and Downconverters . . . . . . . 121
4.5 Antenna Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.5.1 MIMO Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.5.2 Smart Antennas and Beamforming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.6 Reconfigurable Digital Radio Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.6.1 Digital Signal Processors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.6.2 Field-Programmable Gate Arrays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
4.6.3 General Purpose Processors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
4.6.4 Heterogeneous Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.6.5 Comparison of Reconfigurable
Digital Hardware Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.7 Basic Digital Radio Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4.8 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5 Value Creation and Migration in Adaptive Cognitive
and Radio Systems
Keith E. Nolan, Francis J. Mullany, Eamonn Ambrose,
and Linda E. Doyle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.2 Cognitive Radio and Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.3 The Value-Chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.4 Value Creation and Migration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5.5 Economic Value Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.6 Example Scenarios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.6.1 Simplified Man−Machine Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.6.2 Dynamic Spectrum Access. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
5.6.3 Message-Relaying and Micropayments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.6.4 Spectrum Regulator Value. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.7 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
6 Codes and Games for Dynamic Spectrum Access
Yiping Xing, Harikeshwar Kushwaha, K.P. Subbalakshmi,
and R. Chandramouli. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
Contents ix
6.2 Stochastic Learning Automata and Games . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.3 Coexistence of Dissimilar Secondary Radio Systems . . . . . . . . . . . . . . 167
6.4 Impact of QoS and Interference Temperature Constraints. . . . . . . . . 172
6.4.1 Secondary Spectrum Sharing Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
6.4.2 Spectrum Assignment with Priority Classes. . . . . . . . . . . . . . . 173
6.4.3 Secondary Spectrum Sharing Potential Game . . . . . . . . . . . . . 173
6.5 Fountain Codes for Dynamic Spectrum Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
6.5.1 Erasure Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
6.5.2 LT Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
6.5.3 Raptor Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.5.4 Secondary Usage of Spectrum using LT Codes . . . . . . . . . . . . 184
6.6 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
7 Efficiency and Coexistence Strategies for Cognitive Radio
Sai Shankar, N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
7.2 System Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
7.3 Spectral Utilization of Cognitive Radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
7.3.1 A Special Case: M = 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
7.3.2 The General Case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
7.3.3 The Multiplexing Gain of Using Multiple Channels . . . . . . . . 202
7.4 Coexistence and the Access Problem
in Cognitive Radios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
7.4.1 Channel and Traffic Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
7.4.2 Usage Model and Etiquette Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
7.4.3 Markov Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
7.4.4 Random Access Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
7.4.5 General Solution to Airtime Share
and Blocking Probability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
7.4.6 Cognitive Radio Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
7.4.7 The Homo Egualis (HE) Society Model Based
Access Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
7.4.8 The Agent Egualis Society. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
7.5 Numerical Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
7.6 Channel Opportunity Study and the Optimal Sensing Protocol . . . . 226
7.6.1 Implementation of the Sampling Function
in Practical Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
7.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
7.8 Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
7.8.1 Calculation of Multiplexing Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
x Contents
8 Enabling Cognitive Radio via Sensing, Awareness,
and Measurements
Hüseyin Arslan and Serhan Yarkan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
8.2 Wireless Channel Awareness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
8.2.1 Channel Selectivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
8.2.2 Link Quality. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
8.2.3 Other Wireless Channel Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
8.3 Network Awareness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
8.3.1 Being Aware of the Same Network. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
8.3.2 Being Aware of Other Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
8.4 User Awareness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
8.5 Other Possible Awareness Scenarios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
8.6 Challenges and Future Directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
8.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
9 Spectrum Sensing for Cognitive Radio Applications
Hüseyin Arslan and Tevfik Yücek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
9.2 Challenges. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
9.3 Spectrum Sensing Methods for Cognitive Radio . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
9.3.1 Matched Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
9.3.2 Waveform-Based Sensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
9.3.3 Cyclostationarity-Based Sensing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
9.3.4 Energy Detector-Based Sensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
9.3.5 Radio Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
9.3.6 Other Sensing Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
9.4 Cooperative Sensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
9.5 External Sensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
9.6 Statistical Approaches and Prediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
9.7 Sensing Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
9.8 Hardware Requirements and Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
9.9 Multi-dimensional Spectrum Awareness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
9.10 Spectrum Sensing in Current Wireless Standards . . . . . . . . . . . . . . . . 282
9.10.1 IEEE 802.11k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
9.10.2 Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
9.10.3 IEEE 802.22 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
9.11 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
10 Location Information Management Systems
for Cognitive Wireless Networks
Hüseyin Arslan and Hasari Celebi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
10.2 Cognitive Wireless Network Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
Contents xi
10.2.1 Cognition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
10.2.2 Collaboration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
10.2.3 Node Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
10.3 Location Estimation and Sensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
10.3.1 Location Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
10.3.2 Location Estimation vs. Sensing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
10.3.3 Location Estimation Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
10.3.4 Legacy Positioning Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
10.3.5 Cognitive Positioning Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
10.3.6 Implementation Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
10.4 Mobility Management. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
10.4.1 Mobility Models. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
10.4.2 Location Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
10.5 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
10.5.1 Location-Based Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
10.5.2 Network Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
10.5.3 Transceiver Algorithm Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
10.5.4 Environment Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
10.6 Privacy Concerns. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
10.7 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
11 OFDM for Cognitive Radio: Merits and Challenges
Hüseyin Arslan, Hisham A. Mahmoud, and Tevfik Yücek. . . . . . . . . . . . . . 325
11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
11.2 A Basic OFDM System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
11.3 OFDM-Based Cognitive Radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
11.4 Why OFDM is a Good Fit for Cognitive Radio. . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
11.4.1 Spectrum Sensing and Awareness. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
11.4.2 Spectrum Shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
11.4.3 Adapting to Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
11.4.4 Advanced Antenna Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
11.4.5 Multiple Accessing and Spectral Allocation . . . . . . . . . . . . . . . 335
11.4.6 Interoperability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
11.5 Challenges to Cognitive OFDM Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
11.5.1 Spectrum Shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
11.5.2 Effective Pruning Algorithm Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
11.5.3 Signaling the Transmission Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
11.5.4 Synchronization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
11.5.5 Mutual Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
11.6 Multi-band OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
11.7 A Step Toward Cognitive-OFDM: Standards
and Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
11.7.1 WiMAX – IEEE 802.16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
xii Contents
11.7.2 IEEE 802.22 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
11.7.3 IEEE 802.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
11.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
12 UWB Cognitive Radio
Hüseyin Arslan and Mustafa E. S ¸ahin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
12.2 Fundamentals of Impulse Radio Ultra Wideband . . . . . . . . . . . . . . . . 357
12.3 Cognitive Radio Requirements vs. IR-UWB Features. . . . . . . . . . . . . 362
12.3.1 Limited Interference to Licensed Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
12.3.2 Flexibility in Pulseshape/Bandwidth (Dynamic Spectrum). . 363
12.3.3 Dynamically Adjustable Data Rate and Quality-of-Service . . 364
12.3.4 Adaptable Transmit Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
12.3.5 Adaptive Multiple Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
12.3.6 Information Security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
12.3.7 Limited Cost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
12.4 Merging Impulse Radio with Cognitive Radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
12.4.1 Implementing Cognitive Radio via Impulse Radio . . . . . . . . . 368
12.4.2 Various Ways of Supplementing CR with IR-UWB . . . . . . . . 371
12.5 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
13 Applications of Cognitive Radio
Hüseyin Arslan and Sadia A¸hmed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
13.2 Cognitive Wireless Communication Applications . . . . . . . . . . . . . . . 384
13.2.1 Resource Optimization
and Quality Enhancing Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
13.2.2 Interoperability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
13.2.3 End User Product/Service Specific Cognitive Wireless
Communication Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
13.3 Cognitive Application Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
13.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
14 Cross-Layer Adaptation and Optimization
for Cognitive Radio
Hüseyin Arslan and Serhan Yarkan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
14.2 Why We Need Cross-Layer Design, Adaptation, and Optimization . 422
14.2.1 Traditional Layered Design and Its Evolution . . . . . . . . . . . . . 422
14.3 Cross-Layer Design, Adaptation, and Optimization . . . . . . . . . . . . . . 425
14.3.1 Cognitive Radio, Cross-Layer Design, and Adaptation. . . . . . 426
14.3.2 Cognitive Engine and Cross-Layer Architecture Design . . . . . 427
14.3.3 Some of the Adaptation Parameters That Are Popularly
Used in Contemporary Communication Systems. . . . . . . . . . . 432
Contents xiii
14.4 Cross-Layer Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
14.4.1 Optimization Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
14.4.2 Classifications of Optimization Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
14.4.3 Challenges for Cross-Layer Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
14.5 Further Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446
14.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453