Constrained Bayesian Active Learning of Interference Channels in Cognitive Radio Networks

In this paper, a sequential probing method for interference constraint learning is proposed to allow a centralized Cognitive Radio Network (CRN) accessing the frequency band of a Primary User (PU) in an underlay cognitive scenario with a designed PU protection specification. The main idea is that the CRN probes the PU and subsequently eavesdrops the reverse PU link to acquire the binary ACK/NACK packet. This feedback indicates whether the probing-induced interference is harmful or not and can be used to learn the PU interference constraint. The cognitive part of this sequential probing process is the selection of the power levels of the Secondary Users (SUs) which aims to learn the PU interference constraint with a minimum number of probing attempts while setting a limit on the number of harmful probing-induced interference events or equivalently of NACK packet observations over a time window. This constrained design problem is studied within the Active Learning (AL) framework and an optimal solution is derived and implemented with a sophisticated, accurate and fast Bayesian Learning method, the Expectation Propagation (EP). The performance of this solution is also demonstrated through numerical simulations and compared with modified versions of AL techniques we developed in earlier work.Comment: 14 pages, 6 figures, submitted to IEEE JSTSP Special Issue on Machine Learning for Cognition in Radio Communications and Rada

A survey of symbiotic radio: Methodologies, applications, and future directions

The sixth generation (6G) wireless technology aims to achieve global connectivity with environmentally sustainable networks to improve the overall quality of life. The driving force behind these networks is the rapid evolution of the Internet of Things (IoT), which has led to a proliferation of wireless applications across various domains through the massive deployment of IoT devices. The major challenge is to support these devices with limited radio spectrum and energy-efficient communication. Symbiotic radio (SRad) technology is a promising solution that enables cooperative resource-sharing among radio systems through symbiotic relationships. By fostering mutualistic and competitive resource sharing, SRad technology enables the achievement of both common and individual objectives among the different systems. It is a cutting-edge approach that allows for the creation of new paradigms and efficient resource sharing and management. In this article, we present a detailed survey of SRad with the goal of offering valuable insights for future research and applications. To achieve this, we delve into the fundamental concepts of SRad technology, including radio symbiosis and its symbiotic relationships for coexistence and resource sharing among radio systems. We then review the state-of-the-art methodologies in-depth and introduce potential applications. Finally, we identify and discuss the open challenges and future research directions in this field

Opportunistic communications in large uncoordinated networks

(English) The increase of wireless devices offering high data rate services limits the coexistence of wireless systems sharing the same resources in a given geographical area because of inter-system interference. Therefore, interference management plays a key role in permitting the coexistence of several heterogeneous communication services. However, classical interference management strategies require lateral information giving rise to the need for inter-system coordination and cooperation, which is not always practical. Opportunistic communications offer a potential solution to the problem of inter-system interference management. The basic principle of opportunistic communications is to efficiently and robustly exploit the resources available in a wireless network and adapt the transmitted signals to the state of the network to avoid inter-system interference. Therefore, opportunistic communications depend on inferring the available network resources that can be safely exploited without inducing interference in coexisting communication nodes. Once the available network resources are identified, the most prominent opportunistic communication techniques consist in designing scenario-adapted precoding/decoding strategies to exploit the so-called null space. Despite this, classical solutions in the literature suffer from two main drawbacks: the lack of robustness to detection errors and the need for intra-system cooperation. This thesis focuses on the design of a null space-based opportunistic communication scheme that addresses the drawbacks exhibited by existing methodologies under the assumption that opportunistic nodes do not cooperate. For this purpose, a generalized detection error model independent of the null-space identification mechanism is introduced that allows the design of solutions that exhibit minimal inter-system interference in the worst case. These solutions respond to a maximum signal-to-interference ratio (SIR) criterion, which is optimal under non-cooperative conditions. The proposed methodology allows the design of a family of orthonormal waveforms that perform a spreading of the modulated symbols within the detected null space, which is key to minimizing the induced interference density. The proposed solutions are invariant within the inferred null space, allowing the removal of the feedback link without giving up coherent waveform detection. In the absence of coordination, the waveform design relies solely on locally sensed network state information, inducing a mismatch between the null spaces identified by the transmitter and receiver that may worsen system performance. Although the proposed solution is robust to this mismatch, the design of enhanced receivers using active subspace detection schemes is also studied. When the total number of network resources increases arbitrarily, the proposed solutions tend to be linear combinations of complex exponentials, providing an interpretation in the frequency domain. This asymptotic behavior allows us to adapt the proposed solution to frequency-selective channels by means of a cyclic prefix and to study an efficient modulation similar to the time division multiplexing scheme but using circulant waveforms. Finally, the impact of the use of multiple antennas in opportunistic null space-based communications is studied. The performed analysis reveals that, in any case, the structure of the antenna clusters affects the opportunistic communication, since the proposed waveform mimics the behavior of a single-antenna transmitter. On the other hand, the number of sensors employed translates into an improvement in terms of SIR.(Català) El creixement incremental dels dispositius sense fils que requereixen serveis d'alta velocitat de dades limita la coexistència de sistemes sense fils que comparteixen els mateixos recursos en una àrea geogràfica donada a causa de la interferència entre sistemes. Conseqüentment, la gestió d'interferència juga un paper fonamental per a facilitar la coexistència de diversos serveis de comunicació heterogenis. No obstant això, les estratègies clàssiques de gestió d'interferència requereixen informació lateral originant la necessitat de coordinació i cooperació entre sistemes, que no sempre és pràctica. Les comunicacions oportunistes ofereixen una solució potencial al problema de la gestió de les interferències entre sistemes. El principi bàsic de les comunicacions oportunistes és explotar de manera eficient i robusta els recursos disponibles en una xarxa sense fils i adaptar els senyals transmesos a l'estat de la xarxa per evitar interferències entre sistemes. Per tant, les comunicacions oportunistes depenen de la inferència dels recursos de xarxa disponibles que poden ser explotats de manera segura sense induir interferència en els nodes de comunicació coexistents. Una vegada que s'han identificat els recursos de xarxa disponibles, les tècniques de comunicació oportunistes més prominents consisteixen en el disseny d'estratègies de precodificació/descodificació adaptades a l'escenari per explotar l'anomenat espai nul. Malgrat això, les solucions clàssiques en la literatura sofreixen dos inconvenients principals: la falta de robustesa als errors de detecció i la necessitat de cooperació intra-sistema. Aquesta tesi tracta el disseny d'un esquema de comunicació oportunista basat en l'espai nul que afronta els inconvenients exposats per les metodologies existents assumint que els nodes oportunistes no cooperen. Per a aquest propòsit, s'introdueix un model generalitzat d'error de detecció independent del mecanisme d'identificació de l'espai nul que permet el disseny de solucions que exhibeixen interferències mínimes entre sistemes en el cas pitjor. Aquestes solucions responen a un criteri de màxima relació de senyal a interferència (SIR), que és òptim en condicions de no cooperació. La metodologia proposada permet dissenyar una família de formes d'ona ortonormals que realitzen un spreading dels símbols modulats dins de l'espai nul detectat, que és clau per minimitzar la densitat d’interferència induïda. Les solucions proposades són invariants dins de l'espai nul inferit, permetent suprimir l'enllaç de retroalimentació i, tot i així, realitzar una detecció coherent de forma d'ona. Sota l’absència de coordinació, el disseny de la forma d'ona es basa únicament en la informació de l'estat de la xarxa detectada localment, induint un desajust entre els espais nuls identificats pel transmissor i receptor que pot empitjorar el rendiment del sistema. Tot i que la solució proposada és robusta a aquest desajust, també s'estudia el disseny de receptors millorats fent ús de tècniques de detecció de subespai actiu. Quan el nombre total de recursos de xarxa augmenta arbitràriament, les solucions proposades tendeixen a ser combinacions lineals d'exponencials complexes, proporcionant una interpretació en el domini freqüencial. Aquest comportament asimptòtic permet adaptar la solució proposada a entorns selectius en freqüència fent ús d'un prefix cíclic i estudiar una modulació eficient derivada de l'esquema de multiplexat per divisió de temps emprant formes d'ona circulant. Finalment, s’estudia l'impacte de l'ús de múltiples antenes en comunicacions oportunistes basades en l'espai nul. L'anàlisi realitzada permet concloure que, en cap cas, l'estructura de les agrupacions d'antenes tenen un impacte sobre la comunicació oportunista, ja que la forma d'ona proposada imita el comportament d'un transmissor mono-antena. D'altra banda, el nombre de sensors emprat es tradueix en una millora en termes de SIR.(Español) El incremento de los dispositivos inalámbricos que ofrecen servicios de alta velocidad de datos limita la coexistencia de sistemas inalámbricos que comparten los mismos recursos en un área geográfica dada a causa de la interferencia inter-sistema. Por tanto, la gestión de interferencia juega un papel fundamental para facilitar la coexistencia de varios servicios de comunicación heterogéneos. Sin embargo, las estrategias clásicas de gestión de interferencia requieren información lateral originando la necesidad de coordinación y cooperación entre sistemas, que no siempre es práctica. Las comunicaciones oportunistas ofrecen una solución potencial al problema de la gestión de las interferencias entre sistemas. El principio básico de las comunicaciones oportunistas es explotar de manera eficiente y robusta los recursos disponibles en una red inalámbricas y adaptar las señales transmitidas al estado de la red para evitar interferencias entre sistemas. Por lo tanto, las comunicaciones oportunistas dependen de la inferencia de los recursos de red disponibles que pueden ser explotados de manera segura sin inducir interferencia en los nodos de comunicación coexistentes. Una vez identificados los recursos disponibles, las técnicas de comunicación oportunistas más prominentes consisten en el diseño de estrategias de precodificación/descodificación adaptadas al escenario para explotar el llamado espacio nulo. A pesar de esto, las soluciones clásicas en la literatura sufren dos inconvenientes principales: la falta de robustez a los errores de detección y la necesidad de cooperación intra-sistema. Esta tesis propone diseñar un esquema de comunicación oportunista basado en el espacio nulo que afronta los inconvenientes expuestos por las metodologías existentes asumiendo que los nodos oportunistas no cooperan. Para este propósito, se introduce un modelo generalizado de error de detección independiente del mecanismo de identificación del espacio nulo que permite el diseño de soluciones que exhiben interferencias mínimas entre sistemas en el caso peor. Estas soluciones responden a un criterio de máxima relación de señal a interferencia (SIR), que es óptimo en condiciones de no cooperación. La metodología propuesta permite diseñar una familia de formas de onda ortonormales que realizan un spreading de los símbolos modulados dentro del espacio nulo detectado, que es clave para minimizar la densidad de interferencia inducida. Las soluciones propuestas son invariantes dentro del espacio nulo inferido, permitiendo suprimir el enlace de retroalimentación sin renunciar a la detección coherente de forma de onda. En ausencia de coordinación, el diseño de la forma de onda se basa únicamente en la información del estado de la red detectada localmente, induciendo un desajuste entre los espacios nulos identificados por el transmisor y receptor que puede empeorar el rendimiento del sistema. A pesar de que la solución propuesta es robusta a este desajuste, también se estudia el diseño de receptores mejorados usando técnicas de detección de subespacio activo. Cuando el número total de recursos de red aumenta arbitrariamente, las soluciones propuestas tienden a ser combinaciones lineales de exponenciales complejas, proporcionando una interpretación en el dominio frecuencial. Este comportamiento asintótico permite adaptar la solución propuesta a canales selectivos en frecuencia mediante un prefijo cíclico y estudiar una modulación eficiente derivada del esquema de multiplexado por división de tiempo empleando formas de onda circulante. Finalmente, se estudia el impacto del uso de múltiples antenas en comunicaciones oportunistas basadas en el espacio nulo. El análisis realizado revela que la estructura de las agrupaciones de antenas no afecta la comunicación oportunista, ya que la forma de onda propuesta imita el comportamiento de un transmisor mono-antena. Por otro lado, el número de sensores empleado se traduce en una mejora en términos de SIR.Postprint (published version

Joint Interference and Phase Alignment among Data Streams in Multicell MIMO Broadcasting

[EN] For the problem of channel state information (CSI) delay and error, this paper proposes a joint interference and phase alignment algorithm based on Bayesian estimation and power allocation among data streams for multicell, multiple-input multiple-output broadcast channels (MIMO-BC). Firstly, the sender obtains the best estimate of the current CSI through Bayesian estimation. Secondly, the interference suppression matrix is designed by maximizing the ratio of the desired signal power to the intercell interference plus noise ratio (SINR) in the forward link, and in the reverse communication, by maximizing the SINR design precoding. Further, the water-filling algorithm is combined to optimize power allocation among data streams. Finally, the phase alignment is used to rotate the interference between data streams into the signal space of the target receive data stream, thereby enhancing the received power of the target data stream. Simulation results show that the proposed algorithm has certain performance advantages over other algorithms, whether it is ideal CSI or delay and error CSI.This work has been partially supported by the "Ministerio de Economia y Competitividad" in the "Programa Estatal de Fomento de la Investigacion Cientifica y Tecnica de Excelencia, Subprograma Estatal de Generacion de Conocimiento" within the project under Grant BIA2017-87573-C2-2-P.Shahjehan, W.; Shah, SW.; Lloret, J.; Bosch Roig, I. (2018). Joint Interference and Phase Alignment among Data Streams in Multicell MIMO Broadcasting. Applied Sciences (Basel). 8(8):1-17. doi:10.3390/app8081237S1178

Adaptive Interference Removal for Un-coordinated Radar/Communication Co-existence

Most existing approaches to co-existing communication/radar systems assume that the radar and communication systems are coordinated, i.e., they share information, such as relative position, transmitted waveforms and channel state. In this paper, we consider an un-coordinated scenario where a communication receiver is to operate in the presence of a number of radars, of which only a sub-set may be active, which poses the problem of estimating the active waveforms and the relevant parameters thereof, so as to cancel them prior to demodulation. Two algorithms are proposed for such a joint waveform estimation/data demodulation problem, both exploiting sparsity of a proper representation of the interference and of the vector containing the errors of the data block, so as to implement an iterative joint interference removal/data demodulation process. The former algorithm is based on classical on-grid compressed sensing (CS), while the latter forces an atomic norm (AN) constraint: in both cases the radar parameters and the communication demodulation errors can be estimated by solving a convex problem. We also propose a way to improve the efficiency of the AN-based algorithm. The performance of these algorithms are demonstrated through extensive simulations, taking into account a variety of conditions concerning both the interferers and the respective channel states