Sub-Nyquist Wideband Spectrum Sensing and Sharing

PhDThe rising popularity of wireless services resulting in spectrum shortage has motivated dynamic spectrum sharing to facilitate e cient usage of the underutilized spectrum. Wideband spectrum sensing is a critical functionality to enable dynamic spectrum access by enhancing the opportunities of exploring spectral holes, but entails a major implemen- tation challenge in compact commodity radios that have limited energy and computation capabilities. The sampling rates speci ed by the Shannon-Nyquist theorem impose great challenges both on the acquisition hardware and the subsequent storage and digital sig- nal processors. Sub-Nyquist sampling was thus motivated to sample wideband signals at rates far lower than the Nyquist rate, while still retaining the essential information in the underlying signals. This thesis proposes several algorithms for invoking sub-Nyquist sampling in wideband spectrum sensing. Speci cally, a sub-Nyquist wideband spectrum sensing algorithm is proposed that achieves wideband sensing independent of signal sparsity without sampling at full bandwidth by using the low-speed analog-to-digital converters based on sparse Fast Fourier Transform. To lower signal spectrum sparsity while maintaining the channel state information, the received signal is pre-processed through a proposed permutation and ltering algorithm. Additionally, a low-complexity sub-Nyquist wideband spectrum sensing scheme is proposed that locates occupied channels blindly by recovering the sig- nal support, based on the jointly sparse nature of multiband signals. Exploiting the common signal support shared among multiple secondary users, an e cient coopera- tive spectrum sensing scheme is developed, in which the energy consumption on signal acquisition, processing, and transmission is reduced with the detection performance guar- antee. To further reduce the computation complexity of wideband spectrum sensing, a hybrid framework of sub-Nyquist wideband spectrum sensing with geolocation database is explored. Prior channel information from geolocation database is utilized in the sens- ing process to reduce the processing requirements on the sensor nodes. The models of the proposed algorithms are derived and veri ed by numerical analyses and tested on both real-world and simulated TV white space signals

Compressive Sensing Over TV White Space in Wideband Cognitive Radio

PhDSpectrum scarcity is an important challenge faced by high-speed wireless communications. Meanwhile, caused by current spectrum assignment policy, a large portion of spectrum is underutilized. Motivated by this, cognitive radio (CR) has emerged as one of the most promising candidate solutions to improve spectrum utilization, by allowing secondary users (SUs) to opportunistically access the temporarily unused spectrum, without introducing harmful interference to primary users. Moreover, opening of TV white space (TVWS) gives us the con dence to enable CR for TVWS spectrum. A crucial requirement in CR networks (CRNs) is wideband spectrum sensing, in which SUs should detect spectral opportunities across a wide frequency range. However, wideband spectrum sensing could lead to una ordably high sampling rates at energy-constrained SUs. Compressive sensing (CS) was developed to overcome this issue, which enables sub-Nyquist sampling by exploiting sparse property. As the spectrum utilization is low, spectral signals exhibit a natural sparsity in frequency domain, which motivates the promising application of CS in wideband CRNs. This thesis proposes several e ective algorithms for invoking CS in wideband CRNs. Speci cally, a robust compressive spectrum sensing algorithm is proposed for reducing computational complexity of signal recovery. Additionally, a low-complexity algorithm is designed, in which original signals are recovered with fewer measurements, as geolocation database is invoked to provide prior information. Moreover, security enhancement issue of CRNs is addressed by proposing a malicious user detection algorithm, in which data corrupted by malicious users are removed during the process of matrix completion (MC). One key spotlight feature of this thesis is that both real-world signals and simulated signals over TVWS are invoked for evaluating network performance. Besides invoking CS and MC to reduce energy consumption, each SU is supposed to harvest energy from radio frequency. The proposed algorithm is capable of o ering higher throughput by performing signal recovery at a remote fusion center

Traitement du signal pour les communications numériques au travers de canaux radio-mobiles

This manuscript of ''Habilitation à diriger les Recherches'' (Habilitation to conduct researches) gives me the opportunity to take stock of the last 14 years on my associate professor activities and on my research works in the field of signal processing for digital communications, particularly for radio-mobile communications. The purpose of this signal processing is generally to obtain a robust transmission, despite the passage of digital information through a communication channel disrupted by the mobility between the transmitter and the receiver (Doppler effect), the phenomenon of echoes (multi-path propagation), the addition of noise or interference, or by limitations in bandwidth, in transmitted power or in signal-to-noise ratio. In order to recover properly the digital information, the receiver needs in general to have an accurate knowledge of the channel state. Much of my work has focused on receiver synchronization or more generally on the dynamic estimation of the channel parameters (delays, phases, amplitudes, Doppler shifts, ...). We have developed estimators and studied their performance in asymptotic variance, and have compared them to minimum lower bound (Cramer-rao or Bayesian Cramer Rao bounds). Some other studies have focused only on the recovering of information (''detection'' or ''equalization'' task) by the receiver after channel estimation, or proposed and analyzed emission / reception schemes, reliable for certain scenarios (transmit diversity scheme for flat fading channel, scheme with high energy efficiency, ...).Ce mémoire de HDR est l'occasion de dresser un bilan des 14 dernières années concernant mes activités d'enseignant-chercheur et mes travaux de recherche dans le domaine du traitement du signal pour les communications numériques, et plus particulièrement les communications radio-mobiles. L'objet de ce traitement du signal est globalement l'obtention d'une transmission robuste, malgré le passage de l'information numérique au travers d'un canal de communication perturbé par la mobilité entre l'émetteur et le récepteur (effet Doppler), le phénomène d'échos, l'addition de bruit ou d'interférence, ou encore par des limitations en bande-passante, en puissance transmise ou en rapport-signal à bruit. Afin de restituer au mieux l'information numérique, le récepteur a en général besoin de disposer d'une connaissance précise du canal. Une grande partie de mes travaux s'est intéressé à l'estimation dynamique des paramètres de ce canal (retards, phases, amplitudes, décalages Doppler, ...), et en particulier à la synchronisation du récepteur. Quelques autres travaux se sont intéressés seulement à la restitution de l'information (tâches de ''détection'' ou d' ''égalisation'') par le récepteur une fois le canal estimé, ou à des schémas d'émission / réception spécifiques. La synthèse des travaux commence par une introduction générale décrivant les ''canaux de communications'' et leurs problèmes potentiels, et positionne chacun de mes travaux en ces termes. Une première partie s'intéresse aux techniques de réception pour les signaux à spectre étalé des systèmes d'accès multiple à répartition par codes (CDMA). Ces systèmes large-bande offrent un fort pouvoir de résolution temporelle et des degrés de liberté, que nous avons exploités pour étudier l'égalisation et la synchronisation (de retard et de phase) en présence de trajets multiples et d'utilisateurs multiples. La première partie regroupe aussi d'autres schémas d'émission/réception, proposés pour leur robustesse dans différents scénarios (schéma à diversité pour canaux à évanouissement plats, schéma à forte efficacité énergétique, ...). La seconde partie est consacrée à l'estimation dynamique Bayésienne des paramètres du canal. On suppose ici qu'une partie des paramètres à estimer exhibe des variations temporelles aléatoires selon une certaine loi à priori. Nous proposons d'abord des estimateurs et des bornes minimales d'estimation pour des modèles de transmission relativement complexes, en raison de la distorsion temporelle due à la forte mobilité en modulation multi-porteuse (OFDM), ou de la présence de plusieurs paramètres à estimer conjointement, ou encore de non linéarités dans les modèles. Nous nous focalisons ensuite sur le problème d'estimation des amplitudes complexes des trajets d'un canal à évolution lente (à 1 ou plusieurs bonds). Nous proposons des estimateurs récursifs (dénommés CATL, pour ''Complex Amplitude Tracking Loop'') à structure imposée inspirée par les boucles à verrouillage de phase numériques, de performance asymptotiques proches des bornes minimales. Les formules analytiques approchées de performances asymptotiques et de réglages de ces estimateurs sont établies sous forme de simples fonctions des paramètres physiques (spectre Doppler, retards, niveau de bruit). Puis étant donné les liens établis entre ces estimateurs CATL et certains filtres de Kalman (construits pour des modèles d'état de type marche aléatoire intégrée), les formules approchées de performances asymptotiques et de réglage de ces filtres de Kalman sont aussi dérivées