Τεχνικές Μετάδοσης, Ανάλυση και Σχεδίαση Προσαρμοστικών Γνωστικών Συστημάτων Ραδιοεπικοινωνιών (Cognitive Radio)

Abstract

Τα Γνωστικά Ραδιοσυστήματα είναι μια νέα τεχνολογία κινητών και ασύρματων 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 ένα 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, αλλά 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.

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