Sensing-basierte opportunistische Spektrumswiederverwendung mit QoS Unterstützung für die sekundäre Kommunikation

Abstract

In den letzten Jahren wurde eine Diskrepanz zwischen den vergebenen Lizenzen für Radiospektrum und der tatsächlichen Nutzung des Spektrums beobachtet. Obwohl die überwiegende Anzahl von Frequenzbändern im für drahtlose Kommunikation attraktiven Spektrum lizenziert sind, wurde in vielen Messkampagnen gezeigt, dass große Teile des Spektrums an vielen Orten temporär ungenutzt sind. Sensing basierte opportunistische Wiederverwendung von Spektrum ist ein interessanter Ansatz um diese Diskrepanz zu beseitigen. In einem solchen Ansatz sensen sogenannte Sekundärnutzer basierend auf Cognitive Radio (CR) Technologien die Frequenzbänder von lizenzierten Primärnutzern und benutzen das entdeckte, temporär ungenutzte Spektrum für die eigene Kommunikation. Die Auflage für eine solche Nutzung ist, dass das Spektrum augenblicklich geräumt werden muss sobald ein Primärnutzer zurückkehrt. Eine offensichtliche Herausforderung für eine solche Art der Nutzung ist die zuverlässige Erkennung von Primärnutzern. Die Sekundärnutzer müssen sicherstellen, dass das lizenzierte Spektrum rechtzeitig geräumt wird wenn nötig und dass keine für den Primärnutzer schädliche Interferenz entsteht. Für solche CR Netzwerke ist allerdings nicht nur der Schutz der Primärkommunikation eine Herausforderung, sondern auch die Zusicherung eines gewissen Quality of Service (QoS) für die Sekundärkommunikation. Durch die strikte Priorität der Primärnutzer muss die Sekundärkommunikation potentiell häufig auf neue, temporär ungenutzte Frequenzen ausweichen. In dieser Arbeit präsentieren und evaluieren wir ein CR Systemdesign welches beide Herausforderungen adressiert. Wir zeigen, dass das vorgeschlagene Design sowohl einen zuverlässigen Schutz für den Primärnutzer als auch eine gewisse QoS Unterstützung für die Sekundärkommunikation erreichen kann. Das Design kann dies sogar für kleine Netzwerke mit wenigen, einfachen Sekundärnutzern, welche einen auf Energiedetektion basierenden Sensing-Prozess für die Primärnutzerentdeckung verwenden. Benutzt das Sekundärsystem eine gewisse Menge an spektralem Overhead für den Sensing-Prozess und die sekundäre QoS Unterstützung, kann sogar in Szenarios mit hoher Variabilität des temporär verfügbaren Spektrums eine zuverlässige Primärnutzererkennung und eine gewisse QoS Unterstützung für die sekundäre Kommunikation ermöglicht werden. Wir evaluieren den Tradeoff zwischen beiden Overheads und zeigen, dass es einen optimalen spektralen Overhead gibt, für den die spektrale Effizienz maximiert wird. Wir zeigen weiterhin, dass, obwohl die spektrale Effizienz von anfänglich kleinen Netzwerken gering ist, sie trotzdem signifikant größer ist als Null. Des weiteren wird die spektrale Effizienz mit wachsendem Sekundärnetzwerk verbessert. Das macht unserer vorgeschlagenes CR Design zu einem idealen, skalierbaren Ansatz für initiale Netzwerkdeployments von kleinen und billigen CR Netzwerken: mit steigender Netzwerkgröße (welche normalerweise Hand in Hand geht mit einer steigenden Kapazitätsnachfrage) steigt auch die spektrale Effizienz.Within the last years a discrepancy between the spectrum licenses and the actual usage of spectrum has been observed. While the vast majority of frequency bands attractive for wireless communication are licensed, measurement campaigns have shown that large portions of the spectrum are temporarily unused in many locations. Sensing-based opportunistic spectrum re-usage has been identified as an attractive approach to overcome this discrepancy. In this approach Cognitive Radio (CR) based Secondary Users (SUs) sense the licensed frequency bands owned by Primary Users (PUs) for available spectrum and use the temporarily available spectrum on an opportunistic basis with the constraint to vacate the spectrum as soon as the license holder returns. An apparent challenge for such secondary spectrum usage is the reliable detection of the PU communication. The SUs have to ensure that the licensed spectrum is always vacated in a timely manner and that no harmful interference is created to the PUs. However, not only the protection of the PU communication is a challenging task for such CR networks but also the maintenance of a proper Quality of Service (QoS) for the secondary communication. Due to the strict access priority of the PUs, the secondary communication potentially has to be often relocated to new, temporarily available frequency bands. In this thesis we present and evaluate a CR system design, which is able to cope with these two challenges. We show that the proposed system design can achieve both reliable PU protection and secondary QoS support even for small secondary networks consisting of simple, low complexity CRs using energy detection-based spectrum sensing for the PU protection. Using a proper amount of spectral overhead for spectrum sensing and for secondary QoS support, reliable PU protection and secondary QoS support can also be maintained in environments with very high variability of temporarily available spectrum. We evaluate the tradeoff between both overheads and show that there exists an optimal joint spectral overhead which maximizes the spectral efficiency. We further show that, while the spectral efficiency of initially small network deployments based on the proposed system design might be low, it is still significantly greater than zero. Furthermore, the spectral efficiency is improved, as the network size increases. This makes the proposed CR design an ideal approach for initial deployments of very small and cheap CR networks, which are perfectly scalable: with an increase of network size (which usually goes hand in hand with an increase in spectrum demand), also the spectral efficiency is increased