Performance analysis of energy detector over generalised wireless channels in cognitive radio

This thesis was submitted for the award of Doctor of Philosophy and was awarded by Brunel University London.This thesis extensively analyses the performance of an energy detector which is widely employed to perform spectrum sensing in cognitive radio over different generalised channel models. In this analysis, both the average probability of detection and the average area under the receiver operating characteristic curve (AUC) are derived using the probability density function of the received instantaneous signal to noise ratio (SNR). The performance of energy detector over an ŋ --- µ fading, which is used to model the Non-line-of-sight (NLoS) communication scenarios is provided. Then, the behaviour of the energy detector over к --- µ shadowed fading channel, which is a composite of generalized multipath/shadowing fading channel to model the lineof- sight (LoS) communication medium is investigated. The analysis of the energy detector over both ŋ --- µ and к --- µ shadowed fading channels are then extended to include maximal ratio combining (MRC), square law combining (SLC) and square law selection (SLS) with independent and non-identically (i:n:d) diversity branches. To overcome the problem of mathematical intractability in analysing the energy detector over i:n:d composite fading channels with MRC and selection combining (SC), two different unified statistical properties models for the sum and the maximum of mixture gamma (MG) variates are derived. The first model is limited by the value of the shadowing severity index, which should be an integer number and has been employed to study the performance of energy detector over composite α --- µ /gamma fading channel. This channel is proposed to represent the non-linear prorogation environment. On the other side, the second model is general and has been utilised to analyse the behaviour of energy detector over composite ŋ --- µ /gamma fading channel. Finally, a special filter-bank transform which is called slantlet packet transform (SPT) is developed and used to estimate the uncertain noise power. Moreover, signal denoising based on hybrid slantlet transform (HST) is employed to reduce the noise impact on the performance of energy detector. The combined SPT-HST approach improves the detection capability of energy detector with 97% and reduces the total computational complexity by nearly 19% in comparison with previously implemented work using filter-bank transforms. The aforementioned percentages are measured at specific SNR, number of selected samples and levels of signal decompositionMartyrs Foundatio

Вероятностный анализ обобщённой статистической модели многолучевого канала SIMO системы с замираниями и коррелированными затенениями

Рассмотрена задача анализа характеристик процесса передачи информации многоэлементными системами связи в условиях многолучевого канала распространения сигнала. Для обобщения эффектов распространения была выбрана модель канала κ–μ с коррелированными затенениями, а в качестве используемой технологии организации многоэлементной системы – SIMO система, использующая дифференциально-взвешенное комбинирование сигнала на приёмной стороне. Для описания характеристик процесса передачи информации использовался подход на основе статистик высшего порядка эргодической пропускной способности. В рамках исследования были получены аналитические выражения для статистик произвольного порядка для рассматриваемой модели канала. Проведён анализ поведения первых четырёх статистик (эргодической пропускной способности, величины надёжности, коэффициентов асимметрии и эксцесса) в зависимости от характеристик канала (количества многопутевых кластеров распространения, доли мощности, приходящейся на доминантные компоненты, степени затенения доминантных компонент и коэффициента корреляции затенений). В рамках исследования были рассмотрены 4 ситуации поведения исследуемой модели канала, существенно различающиеся по своим свойствам. Отмечено, что в отличие от пропускной способности, статистики высшего порядка оказываются существенно более чувствительными к параметрам канала и, как следствие, являются более значимыми индикаторами флуктуации скорости передачи информации в канале связи. Обнаружено наличие ярко выраженного экстремума (минимума) зависимости надёжности эргодической пропускной способности от среднего соотношения сигнал/шум, что с практической точки зрения важно учитывать при предъявлении требований к величине отношения сигнал/шум в канале, обеспечивающей желаемое качество функционирования системы связи

Вероятностный анализ обобщённой статистической модели многолучевого канала SIMO системы с замираниями и коррелированными затенениями

The paper considers the problem of analysis of the information transmission process by multi-element communication systems in presence of a multipath signal propagation channel. To generalize the propagation effects, the model of the κ–μ fading channel with correlated shadowing was assumed, and the technology used for organizing a multi-element system was the SIMO system, equipped with the maximum-ration combiner of the signal on the receiving side. To describe the characteristics of the information transfer process, an approach based on the higher-order statistics of the ergodic capacity was used. Closed-form analytical expressions for arbitrary-order capacity higher-order statistics were obtained for the channel model under consideration. The behavior of the first four statistics (ergodic capacity, its reliability, skewness and kurtosis coefficients) is analyzed depending on the channel parameters (the number of multipath propagation clusters, the ratio of power of the dominant components to the total power of multipath waves, the degree of shadowing of the dominant components, and the shadowing correlation coefficient). Within the framework of the study, 4 distinct situations of the assumed channel model behavior were considered, which significantly differ in their properties. It is noted that, in contrast to the capacity, its higher-order statistics are significantly more sensitive to the channel parameters and, as a result, are more significant indicators of fluctuations in the information transfer rate within the communication channel. The existence of a pronounced extremum (minimum) of the reliability ergodic capacity dependence from the signal-to-noise ratio was established. It should be accounted for in practical applications, when the requirements of the signal-to-noise ratio that guarantees the desired communication link quality are set.Рассмотрена задача анализа характеристик процесса передачи информации многоэлементными системами связи в условиях многолучевого канала распространения сигнала. Для обобщения эффектов распространения была выбрана модель канала κ–μ с коррелированными затенениями, а в качестве используемой технологии организации многоэлементной системы – SIMO система, использующая дифференциально-взвешенное комбинирование сигнала на приёмной стороне. Для описания характеристик процесса передачи информации использовался подход на основе статистик высшего порядка эргодической пропускной способности. В рамках исследования были получены аналитические выражения для статистик произвольного порядка для рассматриваемой модели канала. Проведён анализ поведения первых четырёх статистик (эргодической пропускной способности, величины надёжности, коэффициентов асимметрии и эксцесса) в зависимости от характеристик канала (количества многопутевых кластеров распространения, доли мощности, приходящейся на доминантные компоненты, степени затенения доминантных компонент и коэффициента корреляции затенений). В рамках исследования были рассмотрены 4 ситуации поведения исследуемой модели канала, существенно различающиеся по своим свойствам. Отмечено, что в отличие от пропускной способности, статистики высшего порядка оказываются существенно более чувствительными к параметрам канала и, как следствие, являются более значимыми индикаторами флуктуации скорости передачи информации в канале связи. Обнаружено наличие ярко выраженного экстремума (минимума) зависимости надёжности эргодической пропускной способности от среднего соотношения сигнал/шум, что с практической точки зрения важно учитывать при предъявлении требований к величине отношения сигнал/шум в канале, обеспечивающей желаемое качество функционирования системы связи

Secrecy Performance Analysis of SIMO Systems over Correlated κ-µ Shadowed Fading Channels

In this paper, the secrecy performance of single-input-multiple-output systems over correlated κ-μ shadowed fading channels is investigated. In particular, based on the classic Wyner's wiretap model, we derive analytical expressions for secure outage probability (SOP) and the probability of strictly positive secrecy capacity (SPSC) over correlated κ-μ shadowed fading channels. In order to further study the impact of channel parameters on the secrecy performance, novel SOP and the probability of SPSC over independent and identically distributed κ-μ shadowed fading channels are also obtained. In addition, we discuss the asymptotic expressions of the SOP and the SPSC. The match between the analytical results and simulations is excellent for all parameters under considerations. It is interesting to find that the results show that when the signal-to-noise ratio of the main channel is lower than that of the eavesdropping channel, the larger value of correlation coefficient is helpful to improve the secrecy performance and vice versa