Analysis, design and transmission techniques for adaptive cognitive radio systems

Cognitive Radio is a new mobile and wireless communication system that has the ability to automatically and dynamically adapt the transmission and reception parameters with main objective the efficient utilization of radio resources while providing high speed and reliable services. The capacity to adjust the used waveform in a heterogeneous radio environment and the need for harmonic coexistence with conventional radio systems opens a wide range of research challenges and capabilities. This doctoral thesis deals with a variety of issues in Cognitive Radio adaptive waveform design and receiver algorithms for signal analysis. While focusing mainly on the signal processing aspects of the reconfigurable physical layer that opportunistically uses the spectrum the research effort reaches the Medium Access Control sublayer. First an introduction to concepts principles and definitions of Cognitive Radio and its fully reconfigurable hardware the Software Defined Radio is made Multirate signal processing and filter bank theory were studied as a means to develop computationally efficient real-time analysis algorithms. Since OFDM modulation is the most popular choice for the Cognitive Radio waveform an extensive study of features weaknesses and limitations in the Cognitive Radio framework was made. In order to overcome the OFDM drawback of the interfering sidelobes a new Offset Windowed OFDM (OW-OFDM) waveform was designed as a creative mix of features from OFDM, OFDM-OQAM and signal shaping functions. In a next step the decision procedure for filterbank-based sensing was defined and practical algorithms were developed. The concept of Three State Sensing that gives the ability to the transceiver to recognize and classify the incoming signals as Cognitive or Primary waveforms was introduced and two methods of implementation were proposed by exploiting OFDM waveform characteristics. The combination of conclusions and results led to the design of a filter-bank based OFDM receiver architecture that protects the Cognitive Radio waveform from destructive interference while giving the ability to develop new algorithms. Therefore a new time and frequency synchronization scheme for non-contiguous OFDM waveforms under heavy interference was designed and evaluated through simulation. The research activities were concluded in the MAC layer where the Distributed Control Function was modified in order to match the specific features of the Spectrum Pooling environment. During the research effort some other issues were addressed such as automatic modulation recognition algorithm (with wavelet transform) and radio channel characterization and modeling.Τα Γνωστικά Ραδιοσυστήματα είναι μια νέα τεχνολογία κινητών και ασυρμάτων επικοινωνιών που διαθέτει την ικανότητα να προσαρμόζει αυτόματα και δυναμικά τις παραμέτρους εκπομπής και λήψης με κύριο στόχο την αποδοτική χρησιμοποίηση των ραδιοπόρων με την ταυτόχρονη παροχή αξιόπιστων και ταχύτατων υπηρεσιών. Η ικανότητα προσαρμογής της χρησιμοποιούμενης κυματομορφής σε ένα ετερογενές ραδιοτηλεπικοινωνιακό περιβάλλον με την ταυτόχρονη ανάγκη για συνύπαρξη με συμβατικά ραδιοσυστήματα άνοιξε ενα ευρύ πεδίο ερευνητικών προκλήσεων και δυνατοτήτων Η παρούσα διατριβή αντιμετωπίζει μια ποικιλία θεμάτων σχετικά με την προσαρμοστική σχεδίαση κυματομορφών και την ανάπτυξη αλγορίθμων ανάλυσης σήματος στους δέκτες. Το επίκεντρο του ενδιαφέροντος δόθηκε σε θέματα επεξεργασίας σήματος του επαναπροσαρμόσιμου φυσικού στρώματος άλλα η ερευνητική προσπάθεια έφτασε και στο υπόστρωμα Ελέγχου Πρόσβασης στο Μέσο (MAC). Πρώτα γίνεται μια εισαγωγή σε έννοιες ορισμούς και αρχές των Γνωστικών Ραδιοσυστημάτων και του πλήρως προγραμματισμού υλικού υποβάθρου τους, του Software Defined Radio (SDR). Οι αρχές ψηφιακής επεξεργασίας πολλαπλών ρυθμών και η θεωρία των συγκροτημάτων φίλτρων μελετήθηκαν ως μέσο ανάπτυξης υπολογιστικά αποδοτικών πραγματικού χρόνου αλγορίθμων. Από τη στιγμή που η διαμόρφωση OFDM είναι η πιο δημοφιλής επιλογή για τον ρόλο της κυματομορφής σε ένα Γνωστικό ραδιοδίκτυο πραγματοποιήθηκε εκτεταμένη ανάλυση των χαρακτηριστικών αδυναμιών και περιορισμών στα πλαίσια λειτουργίας των Γνωστικών Ραδιοσυστημάτων. Για να ξεπεραστεί το μειονέκτημα της OFDM που αφορά τους υψηλούς πλευρικούς λοβούς μια νέα κυματομορφή Παραθυρικής OFDM με μετατόπιση σχεδιάστηκε ως δημιουργική ανάμιξη των χαρακτηριστικών της OFDM OFDM-OQAM και των διαδικασιών μορφοποίησης σημάτων. Σε επόμενο βήμα ορίστηκαν διαδικασίες απόφασης για φασματική ανίχνευση με χρήση συγκροτημάτων φίλτρων και παρουσιάστηκαν υλοποιήσιμοι και πρακτικοί αλγόριθμοι. Στη συνέχεια εισήχθη η έννοια της Φασματικής Ανίχνευσης Τριών Καταστάσεων έτσι ώστε να δοθεί η δυνατότητα στο τερματικό να αναγνωρίσει και να κατατάξει τα εισερχόμενα σήματα ως Γνωστικά ή Πρωτεύοντα. Ο συνδυασμός των συμπερασμάτων και αποτελεσμάτων των προηγούμενων εργασιών οδήγησε στον σχεδιασμό μιας Αρχιτεκτονικής OFDM δέκτη με χρήση συγκροτήματος φίλτρων ο οποίος και προστατεύει το Γνωστικό Ραδιοσύστημα από καταστροφικές παρεμβολές. Παράλληλα προσφέρει τη δυνατότητα ανάπτυξης νέων αλγορίθμων. Έτσι αναπτύχθηκε μια νέα μέθοδος χρονικού και συχνοτικού συγχρονισμού για τις μη-συνεχόμενες OFDM κυματομορφές που δέχονται ισχυρές παρεμβολές. Η έρευνα ολοκληρώθηκε στο επίπεδο MAC όπου πραγματοποιήθηκε τροποποίηση της Λειτουργίας Κατανεμημένου Ελέγχου (iDCF) έτσι ώστε να προσαρμοστεί η χρήση της στις ιδιαιτερότητες της λειτουργίας Δυναμικής Χρήσης Φάσματος. Κατά τη διάρκεια της ερευνητικής προσπάθειας αντιμετωπίστηκαν και κάποια άλλα θέματα όπως η Αυτόματη Αναγνώριση Τύπου (και τάξης) διαμόρφωσης και ο χαρακτηρισμός και μοντελοποίηση του ραδιοδιαύλου

A stochastic geometry-based performance analysis of a UAV corridor-assisted IoT network

The exploitation of unmanned aerial vehicles (UAVs) in enhancing network performance in the context of beyond-fifth-generation (5G) communications has shown a variety of benefits compared to terrestrial counterparts. In addition, they have been largely conceived to play a central role in data dissemination to Internet of Things (IoT) devices. In the proposed work, a novel stochastic geometry unified framework is proposed to study the downlink performance in a UAV-assisted IoT network that integrates both UAV-base stations (UAV-BSs) and terrestrial IoT receiving devices. The framework builds upon the concept of the aerial UAV corridor, which is modeled as a finite line above the IoT network, and the one-dimensional (1D) binomial point process (BPP) is employed for modeling the spatial locations of the UAV-BSs in the aerial corridor. Subsequently, a comprehensive SNR-based performance analysis in terms of coverage probability, average rate, and energy efficiency is conducted under three association strategies, namely, the nth nearest-selection scheme, the random selection scheme, and the joint transmission coordinated multi-point (JT-CoMP) scheme. The numerical results reveal valuable system-level insights and trade-offs and provide a firm foundation for the design of UAV-assisted IoT networks

Human fall detection using mmWave radars: a cluster-assisted experimental approach

Accurate and timely human fall detection is a strong requirement either for the surveillance of critical infrastructures or for ships. Indeed, sea-faring vessels are one of the most important means for maintaining the marine economy in many countries by transporting goods or people. However, unfortunate tragic accidents on-board ships involving people, either a member of the ship’s crew or a passenger who has fallen off the ship may take place, which is known by the term “man overboard” (MOB). Accordingly, the use of radar sensors for human safety monitoring applications is vital and is of special interest since it is proven that radar sensors are less influenced by environmental conditions (e.g. fog, rain, temperature) compared to other systems like video cameras. Consequently, human fall detection from either sea or ground infrastructures is easier to be identified using radars compared to the conventional methods. This paper focuses in the description of a real experimental approach based on multiple long-range millimeter-wave band radar sensors for human fall detection. The stream(s) of information collected by the system, are processed using clustering techniques. The clustering results are evaluated in terms of the ability to detect and track real human fall scenarios. The results reveal that the measure of velocity plays a key role in the detection procedure