Cooperative Wideband Spectrum Sensing Over Fading Channels

Abstract

Additional information:Use policyThe full-text may be used and/or reproduced, and given to third parties in any format or medium, without prior permission or charge, for personal research or study, educational, or not-for-prot purposes provided that:• a full bibliographic reference is made to the original source • a link is made to the metadata record in DRO • the full-text is not changed in any way The full-text must not be sold in any format or medium without the formal permission of the copyright holders.Please consult the full DRO policy for further details. Abstract-In cognitive radio (CR) systems, it is crucial for secondary users to reliably detect spectral opportunities across a wide frequency range. This paper studies a novel multi-rate subNyquist spectrum sensing (MS 3 ) system capable of performing wideband spectrum sensing in a cooperative CR network over fading channels. The aliasing effects of sub-Nyquist sampling are modelled. To mitigate such effects, different sub-Nyquist sampling rates are applied such that the numbers of samples at different CRs are consecutive prime numbers. Moreover, the performance of MS 3 over fading channels (Rayleigh fading and log-normal fading) is analysed in the form of bounds on the probabilities of detection and false alarm. The key finding is that the wideband spectrum can be sensed using sub-Nyquist sampling rates in MS 3 over fading channels, without the need of spectral recovery. In addition, the aliasing effects can be mitigated by the use of different sub-Nyquist sampling rates in a multi-rate sub-Nyquist sampling system.

Detección cooperativa de usuarios primarios en entornos multibanda basado en muestreo sub-Nyquist uniforme en el dominio disperso

“…En esta sección se analiza el desempeño del algoritmo propuesto en un escenario en el cual se presenta una señal multibanda compuesta por seis canales de 3.3MHz cada uno, los cuales aleatoriamente presentan ocupación, el objetivo es evaluar las condiciones bajo las cuales el algoritmo propuesto presenta un desempeño adecuado para el sensado de espectro, en comparación con el rendimiento de los algoritmos propuestos en [6][7][8][9]. …”

“…Para evaluar el desempeño del algoritmo de sensado de espectro propuesto, se utilizan como métricas la probabilidad de detección, analizadas en función de la relación señal a ruido de la multibanda generada y la curva de operación del receptor (ROC), comparadas con las métricas obtenidas de los algoritmos propuestos en [6][7][8][9]; los resultados obtenidos se muestran en las Figs. 5 y 6.…”

“…= �ℋ 1, �ℋ 0, � (8) Entendiendo como probabilidad de detección a aquella probabilidad de detección correcta de ocupación de una subbanda o de presencia de señal de un PU en una sub-banda (decidir ℋ 1, cuando ℋ 1, es verdadero), por probabilidad de falsa alarma se entiende la probabilidad asociada a detectar señal de un PU cuando en una sub-banda realmente hay un espacio en blanco (decidir ℋ 1, cuando ℋ 0, es verdadero) y por probabilidad de omisión de detección se entiende aquella probabilidad asociada a detectar un espacio en blanco cuando en una sub-banda hay presencia de señal de un PU (decidir ℋ 0, cuando ℋ 1, es verdadero).…”

“…Por lo anterior, en este artículo se propone un nuevo método cooperativo de sensado de espectro de banda ancha, basado en CS y compleción de matrices, que permite reducir la cantidad de muestras a ser procesadas por cada CRD, minimiza la carga de información en los enlaces con el Centro de Fusión (FC) (centro de decisión cooperativo), y mejora el desempeño en términos de detección y características operacionales del receptor comparado con algoritmos similares en el estado del arte [6][7][8][9]. Para realizar la operación de muestreo, se propone una matriz uniforme en el dominio disperso; posteriormente se realiza la detección de energía por sub-banda con base en la estimación de la señal recibida en el dominio disperso mediante el algoritmo Singular Value Thresholding (SVT) [10], luego se toman las decisiones locales de ocupación de espectro por parte de cada CRD y son transmitidas al FC, el cual mediante la aplicación de regla OR a las decisiones locales toma la decisión final de ocupación espectral.…”

“…En [7] se propone un algoritmo de sensado de espectro de banda ancha cooperativo basado en el algoritmo de Maximización de la Expectativa (EM) propuesto en [11], para realizar la estimación y detección conjunta de la ocupación espectral en la multibanda, el algoritmo propuesto opera a una tasa de muestreo igual o superior a la tasa de Nyquist, lo cual implica que los CRD deban procesar una gran cantidad de muestras, incrementando los tiempos de sensado y la potencia consumida. En [8] se propone un algoritmo de sensado de espectro de banda ancha cooperativo basado en muestreo sub-Nyquist multitasa, para el cual se analiza su desempeño en términos de los límites teóricos. En [9] se propone un algoritmo de sensado de espectro de banda ancha cooperativo basado en CS de dos etapas, en la primera se efectúa la reconstrucción de la señal multibanda a partir de las mediciones de cada CRD y en la segunda se realiza la eliminación de ruido, para posteriormente tomar la decisión de ocupación espectral; esto implica una gran carga de información en los enlaces de comunicación entre los CRD y el FC.…”