Software defined radio testbed of television white space for video transmission

Recently, television white space (TVWS) has grabbed a lot of attention from researchers in the Cognitive Radio (CR) area. This underutilized spectrum is one of the possible solutions for spectrum scarcity problem in wireless communication. Thus, many research works have been carried out in order to find a suitable method to utilize this spectrum in an efficient manner. Nevertheless, the actual hardware implementation on utilizing this spectrum is still lacking. Therefore, in this research, an Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) real-time video transmission is proposed using software defined radio (SDR) platform. Two modulation schemes are used namely Phase-shift keying (PSK) with its Binary-PSK (BPSK) and Quadrature-PSK (QPSK) and Quadrature amplitude modulation (QAM) with 16QAM and 64QAM modes. The free channel used in this work is selected under ultra high frequency (UHF) band based on the energy detection, which is either on channel 54 or channel 56. The proposed system is developed with the physical (PHY) layer design of the transmitter and receiver in GNU Radio and integration of medium access control (MAC) layer functionality. Video capture and display programs are designed based on OpenCV modules. The performance of this design is evaluated based on two types of environment, indoor and outdoor, with packet delivery ratio (PDR) and end-to-end delay (EED) as the performance metrics. Three types of video motion are used in the experimentation which are fast (mobile), medium (foreman) and slow (akiyo). Under allocated bandwidth of 1.0 MHz, optimal performances of PDR and EED for both scenarios are shown. In the indoor scenario, QPSK½ exhibits the best performance with 0.92 of PDR and 24.7 seconds of EED for akiyo. Meanwhile for foreman and mobile, BPSK¾ achieves the best performance with PDR of 0.96 and 0.95 and EED of 33.2 seconds and 35.0 seconds, respectively. In the outdoor scenario, the best performance of PDR is achieved by 16QAM½ with 0.9 and 23.5 seconds of EED for akiyo. For foreman and mobile, QPSK½ exhibits the best performance with 0.94 and 0.9 of PDR and 31.2 seconds and 32.5 seconds of EED, respectively. In conclusion, the proposed design exhibits promising solutions for the OFDM real-time video transmission over TVWS

Wideband Spectrum Sensing for Dynamic Spectrum Sharing

The proliferation of wireless devices grows exponentially, demanding more and more data communication capacity over wireless links. Radio spectrum is a scarce resource, and traditional wireless networks deployed by Mobile Network Operators (MNO) are based on an exclusive spectrum band allocation. However, underutilization of some licensed bands in time and geographic domains has been reported, especially in rural areas or areas away from high population density zones. This coexistence of increasingly high data communication needs and spectrum underutilization is an incomprehensible scenario. A more rational and efficient use of the spectrum is the possibility of Licensed Users (known as Primary Users – PU) to lease the spectrum, when not in use, to Unlicensed Users (known as Secondary Users – SU), or allowing the SU to opportunistically use the spectrum after sensing and verifying that the PU is idle. In this latter case, the SU must stop transmitting when the PU becomes active. This thesis addresses the spectrum sensing task, which is essential to provide dynamic spectrum sharing between PUs and SUs. We show that the Spectral Correlation Function (SCF) and the Spectral Coherence Function (SCoF) can provide a robust signal detection algorithm by exploiting the cyclostationary characteristics of the data communication signal. We enhance the most used algorithm to compute de SCF - the FAM (FFT Accumulation Method) algorithm – to efficiently compute the SCF in a local/zoomed region of the support ( ; ) plane (frequency/cycle frequency plane). This will provide the quick identification of spectral bands in use by PUs or free, in a wideband sampling scenario. Further, the characterization of the probability density of the estimates of the SCF and SCoF when only noise is present, using the FAM algorithm, will allow the definition of an adaptive threshold to develop a blind (with respect to the noise statistics) Constant False Alarm Rate (CFAR) detector (using the SCoF) and also a CFAR and a Constant Detection Rate (CDR) detector when that characterization is used to obtain an estimate of the background noise variance (using the SCF).A proliferação de dispositivos sem fios cresce de forma exponencial, exigindo cada vez mais capacidade de comunicação de dados através de ligações sem fios. O espectro radioelétrico é um recurso escasso, e as redes sem fios tradicionais implantadas pelos Operadores de Redes Móveis baseiam-se numa atribuição exclusiva de bandas do espectro. No entanto, tem sido relatada a subutilização de algumas bandas licenciadas quer ao longo do tempo, quer na sua localização geográfica, especialmente em áreas rurais, e em áreas longe de zonas de elevada densidade populacional. A coexistência da necessidade cada vez maior de comunicação de dados, e a subutilização do espectro é um cenário incompreensível. Uma utilização mais racional e eficiente do espectro pressupõe a possibilidade dos Utilizadores Licenciados (conhecidos como Utilizadores Primários – Primary Users - PU) alugarem o espectro, quando este não está a ser utilizado, a Utilizadores Não Licenciados (conhecidos como Utilizadores Secundários – Secondary Users - SU), ou permitir ao SU utilizar oportunisticamente o espectro após a deteção e verificação de que o PU está inativo. Neste último caso, o SU deverá parar de transmitir quando o PU ficar ativo. Nesta tese é abordada a tarefa de deteção espectral, que é essencial para proporcionar a partilha dinâmica do espectro entre PUs e SUs. Mostra-se que a Função de Correlação Espectral (Spectral Correlation Function - SCF) e a Função de Coerência Espectral (Spectral Coherence Function - SCoF) permitem o desenvolvimento de um algoritmo robusto de deteção de sinal, explorando as características ciclo-estacionárias dos sinais de comunicação de dados. Propõe-se uma melhoria ao algoritmo mais utilizado para cálculo da SCF – o método FAM (FFT Accumulation Method) - para permitir o cálculo mais eficiente da SCF numa região local/ampliada do plano de suporte / (plano de frequência/frequência de ciclo). Esta melhoria permite a identificação rápida de bandas espectrais em uso por PUs ou livres, num cenário de amostragem de banda larga. Adicionalmente, é feita a caracterização da densidade de probabilidade das estimativas da SCF e SCoF quando apenas o ruído está presente, o que permite a definição de um limiar adaptativo, para desenvolver um detetor de Taxa de Falso Alarme Constante (Constant False Alarm Rate – CFAR) sem conhecimento do ruído de fundo (usando a SCoF) e também um detetor CFAR e Taxa de Deteção Constante (Constant Detection Rate – CDR), quando se utiliza aquela caracterização para obter uma estimativa da variância do ruído de fundo (usando a SCF)