Nuevo método de detección espectral para sistemas multiportadoras basado en la radio cognitiva

Abstract

Nowadays, the growing demand for frequency-free bands for new emerging wireless technologies and fixed frequency allocation policies in the use of the radio spectrum have resulted in a saturation of the radio frequency spectrum.

From this point of view, it could be thought that the radio spectrum is fully occupied and there are no more frequency bands for new wireless communication systems. However, spectrum occupancy measurements reveal that the licensed radio spectrum has a very low use in certain frequency bands. Cognitive Radio (RC) is a technology that has been proposed as a possible solution to improve access to the radio spectrum and increase its efficiency of use.

RC technology has mainly three functions: detection, analysis and spectrum decision. In order for RC technology to succeed, it must perform the detection of the primary user's signals in a reliable way even if these signals are in a low Signal to Noise Ratio (SNR) scenario and ensure that they do not cause interference to primary users.

This doctoral thesis presents the design of a new radio spectrum detection technique, called Candidate Spectral Estimation (CASE), whose objective is to present a possible solution to the need for a reliable and rapid detection of the signals of primary user for systems based on Cognitive Radio. This proposed detector is based on the filter bank scheme for spectral detection and is included as the fourth alternative in spectral detection techniques within the transmitter detection category. The CASE detector is able to detect and identify primary users with specific spectral characteristics.

Additionally, this thesis work provides a study that shows the potential of this new spectral estimation technique in RC scenarios. As examples of possible applications, we consider the detector (CASE) for the detection of Digital Television signals, (DVB-T) and multi-carrier signals for filter banks. The results of numerical simulations, performed in MATLAB, are presented to evaluate the behavior of the proposed detector. The simulations were carried out under different scenarios using mainly signal levels with high and low SNR. To demonstrate the potential of the CASE detector in estimating the power level and the frequency location of the primary user's signal in the presence of an interfering signal and white noise, a Scenario with high SNR was used.

Finally, a comparison is presented between the spectral detection techniques such as the energy detector and cycle-stationary characteristics to evaluate the performance of this new detection technique specially designed for application in Cognitive Radio. We present, 1) the robustness of the CASE detector to interfering signals and white noise in scenarios with high SNR, 2) the ability of the CASE detector to identify the primary user on stage with low SNR levels and interfering signals

En la actualidad, la creciente demanda de bandas de frecuencias libres para nuevas tecnologías inalámbricas emergentes y las políticas de asignación fija de frecuencias en el uso del espectro radioeléctrico han dado como resultado una saturación del espectro de radio frecuencia. Desde este punto de vista, podría pensarse que el radio espectro está completamente ocupado y no hay más bandas de frecuencia para nuevos sistemas de comunicación inalámbricos. Sin embargo, las mediciones de ocupación del espectro revelan que el espectro de radio licenciado presenta una utilización muy baja en ciertas bandas de frecuencia. La radio cognitiva (RC) es una tecnología que ha sido propuesta como una posible solución para mejorar el acceso al espectro de radio e incrementar su eficiencia de utilización. La tecnología RC tiene principalmente tres funciones: detección, análisis y decisión del espectro. Para que la tecnología RC tenga éxito tiene que realizar la detección de las señales del usuario primario en una forma confiable aún cuando estas señales estén en un escenario de baja relación señal a ruido (SNR: Signal to Noise Ratio) y asegurarse de no provocar interferencia a los usuarios primarios. Esta tesis doctoral presenta el diseño de una nueva técnica de detección del espectro de radio, llamada Estimación Espectral Candidata (CASE: CAndidate Spectral Estimation), cuyo objetivo es presentar una posible solución a la necesidad de una detección confiable y rápida de las señales de usuario primario para los sistemas basados en la Radio Cognitiva. Este detector propuesto se basa en el esquema de banco de filtros para la detección espectral y se incluye como la cuarta alternativa en las técnicas de detección espectral dentro de la categoría de detección del transmisor. El detector CASE es capaz de detectar e identificar a usuarios primarios con características espectrales específicas. Adicionalmente, este trabajo de tesis proporciona un estudio que muestra el potencial de esta nueva técnica de estimación espectral en escenarios RC. Como ejemplos de posibles aplicaciones, consideramos el detector (CASE) para la detección de señales de Televisión Digital, (DVB-T: Digital Video Broadcasting-Terrestrial) y señales de multiportadora para banco de filtros. Resultados de simulaciones numéricas, realizadas en MATLAB, se presentan para evaluar el comportamiento del detector propuesto. Las simulaciones se llevaron a cabo bajo diferentes escenarios utilizando principalmente niveles de señales con alto y bajo SNR. Para demostrar el potencial del detector CASE en la estimación del nivel de potencia y la localización en frecuencia de la señal del usuario primario en presencia de una señal interferente y de ruido blanco se utilizó un Escenario con alto SNR. Finalmente, se presenta una comparación entre las técnicas de detección espectral como el detector de energía y de características ciclo-estacionarias para evaluar el rendimiento de esta nueva técnica de detección diseñada especialmente para su aplicación en la Radio Cognitiva. Presentamos, 1) la robustez del detector CASE a señales interferentes y ruido blanco en escenarios con alto SNR, 2) la capacidad del detector CASE para identificar al usuario primario en escenario con niveles de bajo SNR y señales interferentes.