Cache-Enabled in Cooperative Cognitive Radio Networks for Transmission Performance

The proliferation of mobile devices that support the acceleration of data services (especially smartphones) has resulted in a dramatic increase in mobile traffic. Mobile data also increased exponentially, already exceeding the throughput of the backhaul. To improve spectrum utilization and increase mobile network traffic, in combination with content caching, we study the cooperation between primary and secondary networks via content caching. We consider that the secondary base station assists the primary user by pre-caching some popular primary contents. Thus, the secondary base station can obtain more licensed bandwidth to serve its own user. We mainly focus on the time delay from the backhaul link to the secondary base station. First, in terms of the content caching and the transmission strategies, we provide a cooperation scheme to maximize the secondary user’s effective data transmission rates under the constraint of the primary users target rate. Then, we investigate the impact of the caching allocation and prove that the formulated problem is a concave problem with regard to the caching capacity allocation for any given power allocation. Furthermore, we obtain the joint caching and power allocation by an effective bisection search algorithm. Finally, our results show that the content caching cooperation scheme can achieve significant performance gain for the primary and secondary systems over the traditional two-hop relay cooperation without caching

Esquemas de retransmissão baseados no protocolo decodifica-e-encaminha em redes cognitivas do tipo underlay

Orientador: José Cândido Silveira Santos FilhoTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: O conceito de compartilhamento de espectro do tipo underlay tem sido proposto como uma técnica promissora para contornar o problema da escassez e da subutilização do espectro, permitindo que usuários não licenciados, chamados de usuários secundários, possam acessar simultaneamente uma banda licenciada, alocada aos usuários primários, desde que o nível de interferência sobre os mesmos seja mantido abaixo de um dado limiar aceitável. Entretanto, isso implica que a potência de transmissão na rede secundária deve ser restringida, comprometendo assim a confiabilidade e a cobertura da comunicação. A fim de contornar esse problema, técnicas de retransmissão cooperativa, as quais proveem um novo tipo de diversidade espacial, podem ser exploradas como um meio eficaz para melhorar o desempenho da rede secundária. De fato, a utilização conjunta de ambas as técnicas ¿ compartilhamento de espectro do tipo underlay e retransmissão cooperativa ¿ em redes cooperativas e cognitivas tem recebido especial atenção, já que a eficiência espectral do sistema e o desempenho da rede secundária podem ser melhorados significativamente. Esta tese apresenta quatro contribuições principais na referida área. Em particular, estuda-se o efeito conjunto de duas restrições de potência importantes sobre o desempenho de outage de redes cooperativas e cognitivas, especificamente, o nível máximo de potência interferente tolerada pelo receptor primário e o valor máximo de potência transmitida nos usuários secundários. Foca-se em esquemas de retransmissão baseados no protocolo decodifica-e-encaminha, abordando cenários em que o enlace direto entre fonte e destino está disponível para transmitir informação útil. Como uma primeira contribuição, analisa-se o desempenho de dois esquemas baseados no protocolo de retransmissão half-duplex incremental, os quais exploram a diversidade espacial dos enlaces diretos em redes cooperativas e cognitivas multiusuário. A segunda contribuição investiga o impacto de estimativas desatualizadas do canal sobre o mecanismo de seleção de destino para um desses esquemas anteriores, focando-se apenas no aspecto cooperativo da rede, ou seja, desconsiderando-se o uso de compartilhamento espectral. A terceira contribuição estuda o desempenho de redes cooperativas e cognitivas baseadas no modo full-duplex. Para esse cenário, avalia-se o impacto tanto da autointerferência residual, que é inerente ao modo full-duplex, bem como das restrições de potência que caracterizam o compartilhamento de espectro do tipo underlay. Como contribuição final, motivada pelo compromisso entre a perda de eficiência espectral e o problema da autointerferência residual, próprios dos modos half-duplex e full-duplex, respectivamente, propõe-se e analisa-se um esquema de transmissão adaptativo para redes cooperativas e cognitivas, através do qual, antes de cada processo de comunicação, um dos seguintes modos de transmissão é selecionado: retransmissão half-duplex, retransmissão full-duplex ou transmissão direta. Para todos os cenários considerados, expressões analíticas exatas para a probabilidade de outage são obtidas. Adicionalmente, uma análise assintótica é realizada a fim de caracterizar a ordem de diversidade e o comportamento de outage da rede secundária no regime assintótico de alta relação sinal-ruído. Simulações de Monte Carlo validam os resultados analíticos apresentadosAbstract: Underlay spectrum sharing has been proposed as a promising technique to alleviate the problem of spectrum scarcity and underutilization, by enabling secondary (unlicensed) users to concurrently access a licensed band, provided that the resulting interference on the primary (licensed) users remains below a given acceptable level. However, such a technique implies that the transmit power at the secondary network must be constrained, thereby compromising the communication reliability and coverage. To counteract this, cooperative relaying techniques, which provide a new form of spatial diversity, can be exploited as an effective means to boost the performance of the secondary network. Indeed, the joint use of both techniques¿underlay spectrum sharing and cooperative relaying¿in cognitive relaying networks has drawn special attention, since the overall spectral efficiency and the secondary-network performance can be significantly improved. This dissertation comprises four main contributions in this field. In particular, we examine the combined effect of two crucial power constraints on the outage performance of cognitive relaying networks, namely, the maximum tolerable interference power at the primary receiver and the maximum transmit power at the secondary users. We focus on relaying schemes operating under the decode-and-forward protocol, for scenarios in which the direct link between source and destination is available to convey useful information. As a first contribution, we analyze the performance of two incremental half-duplex relaying schemes, which exploit the spatial diversity of the direct links in a multiuser scenario. Our second contribution investigates the impact of outdated channel estimates on the destination-scheduling mechanism of one of those incremental schemes, from the perspective of a cooperative network only, that is, in the absence of spectrum sharing. The third contribution addresses cognitive full-duplex relaying networks. More specifically, we assess the system performance as a function of both the residual self-interference, which is inherent to the full-duplex relaying mode, and the underlay spectrum-sharing power constraints. As a final contribution, driven by the tradeoff between the spectral-efficiency loss and the residual self-interference problem, intrinsic to the half- and full-duplex relaying modes, respectively, we propose and analyze an adaptive transmission scheme whereby, before each communication process, one out of the following transmission modes is selected: half-duplex relaying, full-duplex relaying, or direct transmission. For all the considered scenarios, exact analytical expressions for the outage probability are derived. In addition, an asymptotic analysis is performed to obtain further insights on the diversity order and outage behavior of the secondary network at the high signal-to-noise ratio regime. Monte Carlo simulations corroborate the accuracy of the presented mathematical analysisDoutoradoTelecomunicações e TelemáticaDoutor em Engenharia ElétricaCAPE

Otimização do fronthaul ótico para redes de acesso de rádio (baseadas) em computação em nuvem (CC-RANs)

Doutoramento conjunto (MAP-Tele) em Engenharia Eletrotécnica/TelecomunicaçõesA proliferação de diversos tipos de dispositivos moveis, aplicações e serviços com grande necessidade de largura de banda têm contribuído para o aumento de ligações de banda larga e ao aumento do volume de trafego das redes de telecomunicações moveis. Este aumento exponencial tem posto uma enorme pressão nos mobile operadores de redes móveis (MNOs). Um dos aspetos principais deste recente desenvolvimento, é a necessidade que as redes têm de oferecer baixa complexidade nas ligações, como também baixo consumo energético, muito baixa latência e ao mesmo tempo uma grande capacidade por baixo usto. De maneira a resolver estas questões, os MNOs têm focado a sua atenção na redes de acesso por rádio em nuvem (C-RAN) principalmente devido aos seus benefícios em termos de otimização de performance e relação qualidade preço. O standard para a distribuição de sinais sem fios por um fronthaul C-RAN é o common public radio interface (CPRI). No entanto, ligações óticas baseadas em interfaces CPRI necessitam de uma grande largura de banda. Estes requerimentos podem também ser atingidos com uma implementação em ligação free space optical (FSO) que é um sistema ótico que usa comunicação sem fios. O FSO tem sido uma alternativa muito apelativa aos sistemas de comunicação rádio (RF) pois combinam a flexibilidade e mobilidade das redes RF ao mesmo tempo que permitem a elevada largura de banda permitida pelo sistema ótico. No entanto, as ligações FSO são suscetíveis a alterações atmosféricas que podem prejudicar o desempenho do sistema de comunicação. Estas limitações têm evitado o FSO de ser tornar uma excelente solução para o fronthaul. Uma caracterização precisa do canal e tecnologias mais avançadas são então necessárias para uma implementação pratica de ligações FSO. Nesta tese, vamos estudar uma implementação eficiente para fronthaul baseada em tecnologia á rádio-sobre-FSO (RoFSO). Propomos expressões em forma fechada para mitigação das perdas de propagação e para a estimação da capacidade do canal de maneira a aliviar a complexidade do sistema de comunicação. Simulações numéricas são também apresentadas para formatos de modulação adaptativas. São também considerados esquemas como um sistema hibrido RF/FSO e tecnologias de transmissão apoiadas por retransmissores que ajudam a alivar os requerimentos impostos por um backhaul/fronthaul de C-RAN. Os modelos propostos não só reduzem o esforço computacional, como também têm outros méritos, tais como, uma elevada precisão na estimação do canal e desempenho, baixo requisitos na capacidade de memória e uma rápida e estável operação comparativamente com o estado da arte em sistemas analíticos (PON)-FSO. Este sistema é implementado num recetor em tempo real que é emulado através de uma field-programmable gate array (FPGA) comercial. Permitindo assim um sistema aberto, interoperabilidade, portabilidade e também obedecer a standards de software aberto. Os esquemas híbridos têm a habilidade de suportar diferentes aplicações, serviços e múltiplos operadores a partilharem a mesma infraestrutura de fibra ótica.The proliferation of different mobile devices, bandwidth-intensive applications and services contribute to the increase in the broadband connections and the volume of traffic on the mobile networks. This exponential growth has put considerable pressure on the mobile network operators (MNOs). In principal, there is a need for networks that not only offer low-complexity, low-energy consumption, and extremely low-latency but also high-capacity at relatively low cost. In order to address the demand, MNOs have given significant attention to the cloud radio access network (C-RAN) due to its beneficial features in terms of performance optimization and cost-effectiveness. The de facto standard for distributing wireless signal over the C-RAN fronthaul is the common public radio interface (CPRI). However, optical links based on CPRI interfaces requires large bandwidth. Also, the aforementioned requirements can be realized with the implementation of free space optical (FSO) link, which is an optical wireless system. The FSO is an appealing alternative to the radio frequency (RF) communication system that combines the flexibility and mobility offered by the RF networks with the high-data rates provided by the optical systems. However, the FSO links are susceptible to atmospheric impairments which eventually hinder the system performance. Consequently, these limitations prevent FSO from being an efficient standalone fronthaul solution. So, precise channel characterizations and advanced technologies are required for practical FSO link deployment and operation. In this thesis, we study an efficient fronthaul implementation that is based on radio-on-FSO (RoFSO) technologies. We propose closedform expressions for fading-mitigation and for the estimation of channel capacity so as to alleviate the system complexity. Numerical simulations are presented for adaptive modulation scheme using advanced modulation formats. We also consider schemes like hybrid RF/FSO and relay-assisted transmission technologies that can help in alleviating the stringent requirements by the C-RAN backhaul/fronthaul. The propose models not only reduce the computational requirements/efforts, but also have a number of diverse merits such as high-accuracy, low-memory requirements, fast and stable operation compared to the current state-of-the-art analytical based approaches. In addition to the FSO channel characterization, we present a proof-of-concept experiment in which we study the transmission capabilities of a hybrid passive optical network (PON)-FSO system. This is implemented with the real-time receiver that is emulated by a commercial field-programmable gate array (FPGA). This helps in facilitating an open system and hence enables interoperability, portability, and open software standards. The hybrid schemes have the ability to support different applications, services, and multiple operators over a shared optical fiber infrastructure

Economically sustainable public security and emergency network exploiting a broadband communications satellite

The research contributes to work in Rapid Deployment of a National Public Security and Emergency Communications Network using Communication Satellite Broadband. Although studies in Public Security Communication networks have examined the use of communications satellite as an integral part of the Communication Infrastructure, there has not been an in-depth design analysis of an optimized regional broadband-based communication satellite in relation to the envisaged service coverage area, with little or no terrestrial last-mile telecommunications infrastructure for delivery of satellite solutions, applications and services. As such, the research provides a case study of a Nigerian Public Safety Security Communications Pilot project deployed in regions of the African continent with inadequate terrestrial last mile infrastructure and thus requiring a robust regional Communications Satellite complemented with variants of terrestrial wireless technologies to bridge the digital hiatus as a short and medium term measure apart from other strategic needs. The research not only addresses the pivotal role of a secured integrated communications Public safety network for security agencies and emergency service organizations with its potential to foster efficient information symmetry amongst their operations including during emergency and crisis management in a timely manner but demonstrates a working model of how analogue spectrum meant for Push-to-Talk (PTT) services can be re-farmed and digitalized as a “dedicated” broadband-based public communications system. The network’s sustainability can be secured by using excess capacity for the strategic commercial telecommunication needs of the state and its citizens. Utilization of scarce spectrum has been deployed for Nigeria’s Cashless policy pilot project for financial and digital inclusion. This effectively drives the universal access goals, without exclusivity, in a continent, which still remains the least wired in the world