Localization and cooperative communication methods for cognitive radio

Duval, Olivier (2013). Localization and cooperative communication methods for cognitive radio. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

We study localization of nearby nodes and cooperative communication for cognitive radios.

Cognitive radios sensing their environment to estimate the channel gain between nodes can cooperate and adapt their transmission power to maximize the capacity of the communication between two nodes. We study the end-to-end capacity of a cooperative relaying scheme using orthogonal frequency-division modulation (OFDM) modulation, under power constraints for both the base station and the relay station. The relay uses amplify-and-forward and decodeand-forward cooperative relaying techniques to retransmit messages on a subset of the available subcarriers. The power used in the base station and the relay station transmitters is allocated to maximize the overall system capacity. The subcarrier selection and power allocation are obtained based on convex optimization formulations and an iterative algorithm. Additionally, decode-and-forward relaying schemes are allowed to pair source and relayed subcarriers to increase further the capacity of the system. The proposed techniques outperforms non-selective relaying schemes over a range of relay power budgets.

Cognitive radios can be used for opportunistic access of the radio spectrum by detecting spectrum holes left unused by licensed primary users. We introduce a spectrum holes detection approach, which combines blind modulation classification, angle of arrival estimation and number of sources detection. We perform eigenspace analysis to determine the number of sources, and estimate their angles of arrival (AOA). In addition, we classify detected sources as primary or secondary users with their distinct second-orde one-conjugate cyclostationarity features. Extensive simulations carried out indicate that the proposed system identifies and locates individual sources correctly, even at -4 dB signal-to-noise ratios (SNR).

In environments with a high density of scatterers, several wireless channels experience non-line-of-sight (NLOS) condition, increasing the localization error, even when the AOA estimate is accurate. We present a real-time localization solver (RTLS) for time-of-arrival (TOA) estimates using ray-tracing methods on the map of the geometry of walls and compare its performance with classical TOA trilateration localization methods. Extensive simulations and field trials for indoor environments show that our method increases the coverage area from 1.9% of the floor to 82.3 % and the accuracy by a 10-fold factor when compared with trilateration. We implemented our ray tracing model in C++ using the CGAL computational geometry algorithm library. We illustrate the real-time property of our RTLS that performs most ray tracing tasks in a preprocessing phase with time and space complexity analyses and profiling of our software.

Titre traduit

Méthodes de localisation et de communication coopérative pour la radio cognitive

Résumé traduit

Une étude sur des applications de la radio cognitive pour la localisation et l’identification de radios à courte distance et les communications coopératives entre plusieurs radios est présentée.

Les radios cognitives analysant leur environnement pour estimer le gain du canal entre les noeuds peuvent coopérer et adapter leur puissance de transmission afin de maximiser la capacité du lien de communication entre deux noeuds. La capacité de communication entre deux noeuds coopérant avec un relais et utilisant une modulation orthogonal frequency-division frequency modulation OFDM, sous des contraintes de puissance d’émission pour la station de base et la station relais est étudiée. Le relais utilise une technique de relais par amplification et retransmission pour etransmettre des messages à un sous-ensemble de sous-porteuses disponibles. La puissance utilisée dans la station de base et les émetteurs des stations relais est distribuée de telle sorte que la capacité globale du système est optimisée. La sélection de sous-porteuse et l’attribution de puissance sont obtenues sur la base de formulations d’optimisation convexe et d’un algorithme itératif. De plus, des modèles de relais par décodage et retransmission incluent la possibilité de joindre les sous-porteuses de source à d’autres sous-porteuses relayées pour augmenter la capacité du système. Les technique proposées offre de meilleures performances de capacité que des méthodes de relais non sélectives pour une gamme de budgets de puissance du relais.

Les radios cognitives peuvent être utilisées pour un accès opportuniste au spectre radiofréquentiel en détectant les trous laissés vacants par des utilisateurs primaires licensés dans ces bandes. Nous introduisons une approche de détection de trous spectraux, qui combine la classification de modulation aveugle, l’estimation de l’angle d’arrivée (AOA) et la détection du nombre de sources. Nous effectuons une analyse des sous-espace propres pour déterminer le nombre de sources, et pour estimer leurs AOA. De plus, nous classons les sources détectées entre utilisateurs primaires ou secondaires avec leurs caractéristiques cyclostationnarires de second ordre et conjugué primaire. De nombreuses simulations réalisées indiquent que le système proposé identifie et localise les sources individuelles correctement, même à un rapport signal à bruit de -4 dB.

Dans les environnements impliquant une forte densité d’obstacles, plusieurs canaux sans fil n’ont pas de ligne de vue directe (NLOS), ce qui augmente considérablement l’erreur de localisation, même lorsque l’estimation d’AOA est exacte. Nous présentons un estimateur de localisation en temps réel (RTLS) basé sur des estimés de temps d’arrivée (TOA) en utilisant des méthodes de tracé de rayons sur la carte de la géométrie des murs et nous comparons ses performances avec les méthodes classiques de localisation de trilatération de temps d’arrivée. De nombreuses simulations et des essais sur le terrain pour de tels environnements intérieurs montrent que notre méthode permet d’augmenter la zone de couverture de 1,9 % de la surface à 82,3 % et la précision d’un facteur de 10 par rapport à la trilatération.

Nous avons implémenté notre modèle de tracé de rayons en C++ en utilisant la bibliothèque CGAL d’algorithmes de géométrie computationelle. Nous démontrons, par une analyse théorique de la complexité spatiale et temporelle de l’algorithme et par un profilage de notre logiciel, comment nous pouvons maintenir la propriété “temps réel" de notre RTLS en effectuant la plupart des tâches associées au tracé de rayons dans une phase de prétraitement.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of doctor of philosophy" Bibliogr. : f. [97]-110.
Mots-clés libres:	Radio cognitive. Lancer de rayons. AOA, communication, coopératif, court, distance, localisation, NLOS, OFDM, RADIO, RTLS, TOA Radio
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Gagnon, François
Codirecteur:	Codirecteur Belzile, Jean
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	20 mars 2013 15:41
Dernière modification:	08 mars 2017 22:32
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1140

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