29
DOCTORAL QUALIFICATION EXAM ‐ II Cognitive Radios Spectrum Sensing and Allocation Techniques Farrukh Javed 7/28/2008 F05020/07UET_PHDCASECP40, Electrical and Computer Engineering Department Centre for Advanced Studies in Engineering, Islamabad, Pakistan Advisor: Dr Riaz Inayat Abstract The unprecedented and exponential expansion in field of telecommunications is yet to face a challenge that cannot be amicably resolved. But the lightning pace of development itself poses a question which if not effectively addressed will bring this development to a dead halt. The ultimate human limitation in the field of telecommunication: “The available spectrum is but finite”. Latest advancements in research have offered various solutions but definitely none as viable as “Cognitive Radios”. The term next generation Radios Networks or dynamic spectrum access is also used for the same paradigm. This paper is formulated to fulfill the requirements of doctoral qualification exam and encompasses, “the introduction to the spectrum sensing and allocation techniques used in cognitive radios”.

Copy of report - 123seminarsonly.com · Transmitter detection ... Aero Radar, Military: 1300-1400 MHz ... For, example for a delay sensitive transmission the modulation scheme

Embed Size (px)

Citation preview

DOCTORAL QUALIFICATION EXAM ‐ II

Cognitive Radios Spectrum Sensing and Allocation Techniques 

 

Farrukh Javed 

7/28/2008  

 

 

F‐05‐020/07‐UET_PHD‐CASE‐CP‐40, Electrical and Computer Engineering Department 

Centre for Advanced Studies in Engineering, Islamabad, Pakistan 

Advisor: Dr Riaz Inayat 

 

 

 

Abstract 

 The  un‐precedented  and  exponential  expansion  in  field  of  telecommunications  is  yet  to  face  a  challenge  that cannot be amicably resolved. But the lightning pace of development itself poses a question which if not effectively addressed  will  bring  this  development  to  a  dead  halt.  The  ultimate  human  limitation  in  the  field  of telecommunication: “The available spectrum  is but finite”. Latest advancements  in research have offered various solutions  but  definitely  none  as  viable  as  “Cognitive  Radios”.  The  term  next  generation  Radios  Networks  or dynamic spectrum access is also used for the same paradigm. This paper is formulated to fulfill the requirements of doctoral qualification exam and encompasses, “the introduction to the spectrum sensing and allocation techniques used in cognitive radios”. 

2  Farrukh Javed F‐05‐020. Spectrum Sensing and Allocation in Cognitive Radios (DQE ‐ II) 

Contents Section I – Cognitive Radios 

1.  Introduction .......................................................................................................................................... 4 

2.  Next Generation (xG) networks ............................................................................................................ 5 

3.  Cognitive Radio ..................................................................................................................................... 6 

3.1  Cognitive Capability ...................................................................................................................... 7 

3.1.1  Spectrum Sensing .................................................................................................................. 7 

3.1.2  Spectrum allocation .............................................................................................................. 7 

3.2  Re‐Configurability ......................................................................................................................... 8 

Section II ‐ Spectrum Sensing 

4.  Transmitter detection ......................................................................................................................... 10 

4.1  Matched filler detection ............................................................................................................. 11 

4.1.1  Opportunities ...................................................................................................................... 11 

4.1.2  Challenges ........................................................................................................................... 11 

4.2  Energy detection ......................................................................................................................... 11 

4.2.1  Opportunities ...................................................................................................................... 11 

4.2.2  Challenges ........................................................................................................................... 12 

4.3  Cyclo‐Stationary feature detection ............................................................................................. 12 

4.3.1  Opportunities ...................................................................................................................... 13 

4.3.2  Challenges ........................................................................................................................... 13 

5.  Cooperative detection ........................................................................................................................ 13 

5.1  Opportunities .............................................................................................................................. 14 

5.2  Challenges ................................................................................................................................... 14 

6.  Interference based detection ............................................................................................................. 14 

6.1  Opportunities .............................................................................................................................. 15 

6.2  Challenges ................................................................................................................................... 15 

7.  Spectrum Sensing Challenges ............................................................................................................. 15 

7.1  Interference Temperature .......................................................................................................... 15 

7.2  Spectrum Sensing In Multi‐User Networks ................................................................................. 16 

7.3  Speed of detection ...................................................................................................................... 16 

 

  Farrukh Javed F‐05‐020. Spectrum Sensing and Allocation in Cognitive Radios (DQE ‐ II)  3 

Section III ‐ Spectrum Allocation 

8.  Spectrum Analysis ............................................................................................................................... 17 

8.1  Channel capacity ......................................................................................................................... 17 

8.2  Primary and xG network user info .............................................................................................. 17 

8.3  Channel Capacity ......................................................................................................................... 19 

8.4  Spectrum analysis Challenges ..................................................................................................... 19 

8.4.1  Opportunities ...................................................................................................................... 20 

9.  Spectrum Decision .............................................................................................................................. 20 

9.1  Spectrum Mgmt: ......................................................................................................................... 21 

9.2  Spectrum Mobility....................................................................................................................... 21 

9.2.1  Spectrum mobility challenges ............................................................................................. 22 

9.2.2  Opportunities for spectrum mobility .................................................................................. 23 

9.3  Spectrum Sharing ........................................................................................................................ 24 

9.3.1  Architecture based classification ........................................................................................ 24 

9.3.2  Challenges and Opportunities ............................................................................................. 24 

9.3.3  Spectrum Sharing based on the access behaviour ............................................................. 24 

9.3.4  Challenges and Opportunities ............................................................................................. 25 

9.3.5  Spectrum sharing based on access technology .................................................................. 25 

9.3.6  Challenges and Opportunities ............................................................................................. 25 

9.4  Spectrum Sharing Challenges ...................................................................................................... 26 

10.  Conclusion ....................................................................................................................................... 27 

 

 

   

Section I – Cognitive Radios 

1. Introduction 

The  finite  nature  of  available  spectrum  is  undoubtedly  the  biggest  question  mark  on  the phenomenal expansion in the field of telecommunication. The question that “Are we headed for a dead stop?” has been answered in negative in very mean ways but none is apparently more suitable than the idea of cognitive radios. The human limitation of finites is answered by human nature to cognitivity. The term “Cognitive” as elaborated in encyclopaedia Encarta as the ability of acquiring knowledge by the use of  reasoning,  intuition  or  perception.  The  concept  of  cognitive  radios  is  based  on  humanising  the communication networks by giving them ability to sense, analyse, decide and adjust. Though the barrier of  finite  nature  of  spectrum  cannot  be  crossed  but  it  sure  can  be  bypassed  by  the most  optimum utilization of available spectrum.  

  Presently  the  spectrum  is  accessed using  fixed  spectrum  access  techniques  FSA. Government agencies  allocate  spectrum  bands  to  different  users  and  vendors  based  on  policies  and  monetary agreements. The fixed allocation, due to  it’s convenience of use has survived for so many years and  is sure  to  last  for many more. But  the biggest drawback of  the  technique  is  its non‐flexibility. The mass variations  in  spectrum  concentration  at  diff  time,  space  and  freq  bands  results  in wastage  of major 

portion of spectrum at most of the time instances. Federal communication commission (FCC) [1] places the spectrum usage between the ranges 15% ‐ 85% at all times. This implies that if some means can be adopted to effectively utilize, unused spectrum slots  in different freq bands the spectrum can be used much more efficiently and economically. 

 

Fig. 1. Spectrum Utilisation [1] 

   

  Farrukh Javed F‐05‐020. Spectrum Sensing and Allocation in Cognitive Radios (DQE ‐ II)  5 

Another  estimation  of  spectrum  concentration  is  given  by  Jean‐Pierre Hubaux  in  [2]. He  has observed spectrum allocation and usage at six locations(Locations: New York city; Riverbend Park, Great Falls, VA; Tysons Corner, VANSF Roof, Arlington, VA; NRAO, Greenbank, WV; SSC Roof, Vienna, VA). He has come up with the results shown in fig. 2. He goes on to comment that in Europe, cellular operators have spent nearly 100 billion Euros to buy spectrum for the 3rd generation.  

2. Next Generation (xG) networks 

  The xG Networks are heterogeneous networks which provide dynamic spectrum access by using cognitive radios as nodal points in the network. The xG Networks can be used in parallel to licensed user networks and can opportunistically utilize  the under‐utilised spectrum without disturbing  the  licensed user network. 

The inherent flexibility and adaptability in the xG networks necessitates elaborate protocols that can address a multitude of situation  that are un‐encountered  in  fixed spectrum access scenarios. The situation is further complicated by the fact that the xG network will almost work not only in parallel to the licensed user network but also subservient in the regards that it will always be the xG  network that has to adept to the changing needs of the  licensed user band. There might also be situations  in which various xG networks are to work in conjunction with each other.  

  Though  the  protocols  defining  xG  networks  are  still  a  popular  area  for  study  and  have  not evolved  into  a  very  refined  form however  the  generally  suggested  architecture  are of multiple  cross 

Measured Spectrum Occupancy Averaged over Six Locations

0.0% 25.0% 50.0% 75.0% 100.0%

PLM, Amateur, others: 30-54 MHzTV 2-6, RC: 54-88 MHz

Air traffic Control, Aero Nav: 108-138 MHzFixed Mobile, Amateur, others:138-174 MHz

TV 7-13: 174-216 MHzMaritime Mobile, Amateur, others: 216-225 MHz

Fixed Mobile, Aero, others: 225-406 MHzAmateur, Fixed, Mobile, Radiolocation, 406-470 MHz

TV 14-20: 470-512 MHzTV 21-36: 512-608 MHzTV 37-51: 608-698 MHzTV 52-69: 698-806 MHz

Cell phone and SMR: 806-902 MHzUnlicensed: 902-928 MHz

Paging, SMS, Fixed, BX Aux, and FMS: 928-906 MHzIFF, TACAN, GPS, others: 960-1240 MHz

Amateur: 1240-1300 MHzAero Radar, Military: 1300-1400 MHz

Space/Satellite, Fixed Mobile, Telemetry: 1400-1525 MHzMobile Satellite, GPS, Meteorologicial: 1525-1710 MHz

Fixed, Fixed Mobile: 1710-1850 MHzPCS, Asyn, Iso: 1850-1990 MHz

TV Aux: 1990-2110 MHzCommon Carriers, Private, MDS: 2110-2200 MHz

Space Operation, Fixed: 2200-2300 MHzAmateur, WCS, DARS: 2300-2360 MHz

Telemetry: 2360-2390 MHzU-PCS, ISM (Unlicensed): 2390-2500 MHz

ITFS, MMDS: 2500-2686 MHzSurveillance Radar: 2686-2900 MHz

Spectrum Occupancy

Fig. 2. Spectrum Concentration [2]

6  Farrukh Javed F‐05‐020. Spectrum Sensing and Allocation in Cognitive Radios (DQE ‐ II) 

layers. Akyildiz  in  [7]  suggested  a  cross‐layer  architecture which  is  shown  in  fig.  3.  The  architecture exhibits the cooperative and complex functionalities of xG Network.  

3. Cognitive Radio 

Joseph Mitolla and Gerald Maguire [4] in their ground breaking work described the novel idea as the  situation  in  which  wireless  nodes  and  the  related  networks  are  sufficiently  computationally intelligent about radio resources and related computer to computer communication to detect the user communication needs as a function of use context and to provide resources and wireless resources most required. In simpler words, a cognitive radio is a radio that can interact with  its radio environments by sensing  its  parameters  and  adapting  to  them.  The  definition  indicates  two  basis  characteristics  of cognitive radios.  

• Cognitive capability:  Interaction  with  environment  in  order  to  detect  the  spectrum parameters.  The  spectrum  needs  to  be  analysed  for  spectrum  concentration,  power  level, extent and nature of temporal and spatial variations, modulation scheme and existence of any other xG network operating in the neighbourhood.   

• Reconfigurability:  The  beauty  of  cognitive  radio  is  its  flexibility.  The  radio  is  capable  to adopt  itself so as  to meet  the spectrum needs  in  the most optional method. This  flexibility  in design has been rendered only recently due to the advancements in concept of software radios DSP techniques, antenna technology etc.  

The paper  is restricted to the spectrum sensing and allocation of cognitive radios which constitute the  cognitive  capability of a  radio. Hence  the  re‐configurability  is only briefly discussed and  then  the spectrum sensing and allocation techniques and concepts have been discussed in detail. 

 

Fig. 3. xG Network Functionalities [3]

  Farrukh Javed F‐05‐020. Spectrum Sensing and Allocation in Cognitive Radios (DQE ‐ II)  7 

3.1 Cognitive Capability 

Cognitive capability of a radio enables it to interact with its radio environment. The interaction is a closed loop function called as cognitive cycle. The spectrum is analysed for its various parameters and decisions made on  the basis of  this analysis are used  for  reconfiguration of  cognitive  radio. This  is a continual  process  and  the  spectrum  sensing  and  analysis  is  not  ceased  at  any  instant.  The  cycle  is depicted as in fig. 4 in [3] 

The  implementation of  this  cycle  is  still an open area  for  research and multiple options have been suggested. However, a broad categorization can be made as under: 

• Spectrum Sensing • Spectrum allocation 

o Spectrum analysis o Spectrum decision 

3.1.1 Spectrum Sensing 

Spectrum  sensing  implies  the data  collection  from  the  radio neighbourhood not only  for  the identification of  temporally unused slots  in  the spectrum but also  for all other  relevant details. These unused slots are called as spectrum holes or white space [5]. The monitoring is continuous and over the complete spectrum. 

3.1.2 Spectrum allocation 

Spectrum allocation  is made based not only on  the  sensed  spectrum parameters but  various other functions. The spectrum allocation follows two steps. 

3.1.2.1 Spectrum analysis 

The analysis of spectrum parameters and identifying the spectrum holes is carried out in order to determine various parameters that are required to choose a suitable band for transmission. 

 

Fig. 4. Cognitive cycle [3]

8  Farrukh Javed F‐05‐020. Spectrum Sensing and Allocation in Cognitive Radios (DQE ‐ II) 

3.1.2.2 Spectrum decision 

The decision about  the selection of a suitable band  for  transmission  is not only depending on the spectrum information acquired by spectrum analysis but also by various other consideration equally important such as:‐ 

• Transmission characteristics 

• Spectrum management 

• Spectrum mobility 

• Spectrum sharing  

3.2 Re‐Configurability 

After selection of a suitable band and transmission parameters for transmission the next biggest design challenge is to reconfigure or adapt the radio to suit these parameters. The recent technological breakthroughs  in  software  radios  can  be  best  utilised  for  giving  this  flexibility.  There  are  various parameters that can be considered for reconfiguration. Incorporation of each factor adds to the design flexibility. 

• Operating frequency:  This is the ability to transmit at different operating frequencies in order to use a spectrum hole. This is the primal requirement for a dynamic spectrum access network.   

• Modulation Scheme:  A cognitive radio should reconfigure for adaptation to the channel and user  requirements.  For,  example  for  a  delay  sensitive  transmission  the modulation  scheme should be chosen whose delay characteristic are better  than  the error rate. Conversely, a  low sensitive transmission would be more suited to a low error rate channel. Another example can be the use of CDMA for security sensitive transmissions.   

• Transmission Power:  The cognitive nature of a cognitive radio enables it to use a transmission most  suited  to  the  requirement. The  transmission power  level  can be adjusted based on  the information of the intended receiver. The adjustment of transmission power to minimum gives two big advantages. Firstly, it enables reduced power consumption and secondly it enhances the numbers of users linked to the network by decreasing interference.  

• Communication  Technology:  The  inherent  design  flexibility  enables  a  cognitive  radio  to  be interoperable between different communication systems.   

• Directivity of transmission: The directivity of transmission gives another dimension of expansion to  cognitive  radios.  The  spectrum  holes  cannot  only  be  in  temporal  sense  but  also  spatial distribution of holes can be considered and put to optimum utilisation.  

Fi 5 S H l C

 

Thprevailingcognitive 

 

 

Farrukh Ja

he  reconfigug spectrum coradio conside

aved F‐05‐020. 

rable parameonditions. Theering the topi

 

Power

Spectrum Sen

eters of  the ce discussion fic under discu

Fig. 5. S

sing and Alloca

cognitive  radfrom here on ussion. 

Time

Spectrum Hole C

ation in Cognit

io are changis focused on

Fr

Concept

tive Radios (DQ

ging continuon the cognitiv

equency 

QE ‐ II) 

usly based ove capability o

on  the of the 

10  Farrukh Javed F‐05‐020. Spectrum Sensing and Allocation in Cognitive Radios (DQE ‐ II) 

Section II – Spectrum Sensing 

As already introduced, the cognitive nature of a cognitive radio  is manifested by its interaction with  the spectrum and  the very  first step  in  this regard  is  the  identification of spectrum holes. Actual detection of a channel between the transmitter and receiver is very difficult. However, the recent work utilises  the  interactive nature of  a  cognitive  radio by detecting  the  transmitter based observation of spectrum users. The broad classification of cognitive radio sensing is as follows 

 

4. Transmitter detection 

Spectrum concentration  in a spatial domain can be determined by receiving transmission from all the perceived transmitters in that domain at any time instant. The approach depends on observation of  signals  received  at  various  cognitive  radios  in  an  xG  network  and  analysing  the  context  for  the transmission by the primary transmission in that vicinity the hypothesis mode would be 

    ,                                ,           

Or 

      ,                                ,          

 

Where x(t)�  is the signal received at the cognitive radio, n(t)is the AWGN noise present  in the channel  and h(t)is  the  impulse  response of  the  channel.  The  second model  is  the  frequency domain translation  of  the  same  hypothetical model.  Both  hypotheses  are  checked  for  correctness  based  on probabilistic models  and  if  hypothesis  H1  is  found  true  then  the  presence  of  transmitted  signal  is concluded and further analyzed. 

Spectrum Sensing

Transmitter Detection

Matched Filter Detection Energy Detection Cyclostationary 

Feature Detection

Cooperative Detection

Interference Bssed Detection

  Farrukh Javed F‐05‐020. Spectrum Sensing and Allocation in Cognitive Radios (DQE ‐ II)  11 

As indicated already, the techniques used for detection can be broadly categorized as matched filter detection, energy detection and cyclo‐stationary feature detection. 

4.1 Matched filler detection 

The common sense means to detect a transmission  is to design an  inverse filler to the  impulse response  of  the  primary  transmitter.  The  additional  requirement would  be  to make  a  precise  noise model of the channel which can be used to decode the signal optimally.  

4.1.1 Opportunities 

• Matched  filter  detection  is  a  widely  used  technique  in  communication  and  not much  effort  is needed to adapt it to the requirements of a cognitive radio. 

• The filter takes very little time to achieve high processing gains. 

4.1.2 Challenges 

• Even  If  inter symbol  interference  is completely eliminated from a transmission even than the best performance of a matched filler is bounded by a theoretical bound known as matched filler bound. 

• The biggest challenge for a matched filter is that it requires apriory knowledge of the transmission in order  to decode  a  signal.  In  case of  an  xG network  this  information  can only be obtained  if  the licensed  spectrum  user  can  extend  the  leverage.  If  the  licensed  user  intends  to  transmit  to  a matched  filter detector  than  some  information  in  the  form of pilots, preambles,  synchronization work or spreading code will be transmitted by the transmitter which might be used by the cognitive radio. Otherwise, the technique can only be used if licensed user intends   cooperating.  

4.2 Energy detection 

If  the  transmission  information  is  not  available  with  the  cognitive  radio  then  the  optimum receiver is the energy detector. The detector is simply the integrated output Y of a band pass filter with bandwidth W over a time period T.  The output is compared with a threshold λ to decide whether some signal  is present  in the band or not. The threshold selection can be made as a fixed value or a flexible choice, that is though complicated but more suitable for a cognitive radio.  

In [6] it is deduced that the probability of detections Pd and probability of false alarm Pf is 

Pd = P [Y > λ / H1] = Qm (√2γ, √λ), 

Pf = P [Y > λ / H0] = Г (m, λ/2) / Г (m) 

Where  λ  is  SNR,  n  =  TW  (time  bandwidth  product)  and  Г  (  .  )  ,  Г  (.  ,  .)  are  complete  and incomplete Г (gamma) functions. Qm is generalized Marcum Q function.  

4.2.1 Opportunities 

• As it is the most easily implement‐able detector hence it is the most widely considered detector in research. 

12  Farrukh Javed F‐05‐020. Spectrum Sensing and Allocation in Cognitive Radios (DQE ‐ II) 

 

• The  detector  has  been  sufficiently  studied  for  multi‐path  and  fading  channels  and  satisfactory results  have  been  obtained.  In  [7]  it  is  given  that  Pf  in  this  case  is  independent  of  λ. When  the amplitude gain of channel h, varies due  to  the  shadowing   and  fading, Pd gives  the probability of detection conditioned on instantaneous SNR as follows 

Pd =     Qm (√2γ, √λ) fr(x) dx 

Where fr(x) is the probability distribution function of SNR under fading conditions.  

4.2.2 Challenges 

• If the Pd is very low then the failure to detect a licensed primary user will erroneously create a false hole. Consequently the interference for primary user will increase. Conversely, if the Pf is very high, it will  result  in  under‐utilized  spectrum.  This  necessitates  a  very  careful  selection  of  comparison threshold λ.  

• Pilot  detector  is  susceptible  to  noise  power  variations.  A  pilot  tone  from  transmitter  can  be considered  to  address  this  problem  but  again,  the  detectors major  benefit  that  no  transmitter information is required at the receiver is compromised.  

• An energy detector cannot differentiate communication types, hence  is prone to false  indication  if some un‐desirable signal is present in the considered band.  

• The  lack of  information  about  the  type of  transmission,  reduces  the  re‐configurable parameters, hence results in reduced flexibility of the cognitive radio. 

4.3 Cyclo‐Stationary feature detection 

Cyclo‐stationary  detector  is  based  on  the  inherent  redundancy  in  the  transmission  signals. Modulated  signals  in general are associated with  sine wave  carriers, digital  sequences  in  the  farm of pulse trains, repeating spreading or having cyclic prefixes. These all periodicities in these communication signals  results  in  an  inherent  autocorrelation.  A  cyclo‐stationary  detector  detects  the  presence  of  a 

Fig. 6. (a) Receiver Uncertainty (b) Shadowing Uncertainty [3] 

  Farrukh Javed F‐05‐020. Spectrum Sensing and Allocation in Cognitive Radios (DQE ‐ II)  13 

signal on basis of presence of periodicity in the transmission by using a spectral correlation function. The beauty of  this detector  is  that  it  can differentiate  the  signal easily  from  the noise because  the noise pattern in general, is wide‐sense stationary and indicates no periodicity. 

4.3.1 Opportunities   

• A  cyclo‐stationary  feature  detector  can  perform  better  than  the  energy  detector  because  of  its robustness in presence of uncertain noise powers.   

• No  transmitter  information  is  required  at  the  cognitive  radio  to  obtain  the  communication information.  

• Neural network based cyclo‐stationary detectors are studied in [8] and are found extremely useful.  

4.3.2 Challenges  

• Cyclo‐stationary detector is computationally very complex to implement.  

• Cyclo‐stationary detectors cannot detect  type of communication and hence  is prone  to erroneous detection from an un‐intended transmission source.  

• The  lack  of  information  about  communication  types  renders  reduced  flexibility  to  the  cognitive radio. 

Though  the  challenges of  each  transmission detector  technique  are discussed  separately  but one  common  problem  that  transmitter  detection  has  to  face  is  its  frequent  isolation  from  primary network. This isolation results in what are called as “receiver uncertainty” and “shadowing uncertainty” [3].  Receiver  uncertainty  exists when  the  receiver  is  unable  to  detect  a  primary  transmitter  due  to weakness  of  its  signal  but  is  adversely  affecting  the  reception  of  primary  receiver.  Shadowing  un‐certainty  is similar to receiver uncertainty except that the cause of weak signal  is some obstruction  in the transmission and not the distance involved.  

5. Cooperative detection 

The cooperative detection is based on the cooperation between various xG users for contention of  spectrum  by  sharing  information  about  their  radio  environment.  This  not  only  enhances  the optimality of spectrum utilization but also reduces the chances of interference to primary uses. The two approaches  to  implement  the  cooperative  detection  are  in  a  centralised  or  distributed manner.  In centralised approach a xG base station or hub is responsible for acquiring information from all xG users, makes  a  broad  picture  of  primary  users  and  xG  users  in  the  complete  radio  environment  and disseminate the information to xG users on as required basis. In distributed approach each xG users acts as a node and shares its neighbourhood information with all others users of xG network.  

 

14  Farrukh Javed F‐05‐020. Spectrum Sensing and Allocation in Cognitive Radios (DQE ‐ II) 

5.1 Opportunities 

• Biggest  advantage  of  cooperative  detection  is  the  manifold  reduction  in  the  uncertainties  of transmitter detection, due to sharing of information at various xG users.   

• Effects of degrading factors such as multiple paths fading and shadowing are mitigated.   

• Primary users’ interference is appreciably reduced.  

5.2 Challenges 

• In  [9]  the  problems  created  due  to  co‐location  of  spectrum  sensing  (cooperative method)  and transmission functions are discussed and it is suggested that two separate networks for sensing and transmission be adopted. Though problem might be resolved but at the cost of added complexity.   

• In  case  of  resource  constrained  network,  cooperative  detection  might  be  a  difficult  option considering the additional operations and overhead traffic.  

• Primary receiver un‐certainty due to the passive nature of primary receiver is still un‐resolved.  

6. Interference based detection 

All the detection techniques discussed thus far have focused on reducing the interference to the primary  transmitter. This  is because of  the difficulty  to detect primary  receivers due  to  their passive nature. However the aim remains to reduce the interference to the primary receiver irrespective of the transmitter.  

Interference based detection model has been recently proposed by FCC [10] which  introduces the  idea  of  interference  temperature.  The  fig  7  [10]  shows  an  interference  temp model.  The  power received at primary receiver reduces exponentially with distance, until it falls to the level of noise floor. At  this point  the  receiver  treats  this  communication as  simply noise and not  transmission. The noise 

Fig. 7. Interference Temperature Model [10]

  Farrukh Javed F‐05‐020. Spectrum Sensing and Allocation in Cognitive Radios (DQE ‐ II)  15 

floor, though a theoretical threshold has spikes in it which are to be treated as noise by the receiver. If an interference cap is introduced above the maximum noise level, all noise will be completely removed. This  increase  in  threshold  results  in  slightly  reduced  range  for  transmitter  but makes  a  very  useful corridor  for  xG networks  to operate. A  cognitive  radio  aware of  the  existing noise  level  can use  the spectrum of its choice unless the transmission power does not exceed the interference cap. Below this level the primary receiver will treat this transmission as simply noise and no interference will occur.  

The  interference  base  detection  is  a  new  concept  and  is  being  widely  researched.  Novel approaches for its implementation are still being suggested. In [11] a direct receiver detection method is presented  which  uses  the  leakage  power  of  LO  (local  oscillator)  by  the  RF  front‐end  of  a  primary receiver. The  idea proposed  is to have  low cast sensor nodes which detect  the  leakages  from primary receiver and  feed  to  the cognitive  radios  in  the xG networks. This  information  is used by un‐licensed users to deduce the spectrum band of choice.  

6.1 Opportunities  

• The biggest advantage of interference temperature based detector is the shift of focus from primary transmitter to primary receiver. It implies that no undue effort will be made to reduce interference e.g.  If no primary  receiver  is around, a  cognitive  radio may use any  frequency band of  its  choice irrespective of primary transmitters in the vicinity.  

• If the transmission power of a cognitive radio remains below the interference cap, it may utilise any frequency parameters of its choice.   

6.2 Challenges 

The  proposal  is  still  in  embryonic  stage  of  research  but  is  sure  to  break  ground  for  a  vast improvement. The biggest challenge is the receiver interference temperature detection. The complexity of the problem is compounded considering multiple primary and xG users. 

7. Spectrum Sensing Challenges 

The  challenges  and opportunities offered by  various  spectrum  sensing  techniques have been discussed  above. But  there  are  few  spectrum  sensing  challenges  that  are not  specific  to  any  specific technique but are an open area for research. 

7.1 Interference Temperature 

As already discussed  the major  research done  so  far  is  to  reduce  interference  to  the primary transmitter rather than the primary receiver. This  is due to the problems faced  in finding  interference temperature at  the  receiver due  to  its passive nature. A cognitive  radio  is generally aware of  its own transmission  power  levels,  its  location  and  surrounding  noise  level.  But  in  order  to  cause minimum disturbance  to  the  primary  users,  it  is  mandatory  to  gather  information  about  their  transmission characteristics  and  parameters.  The  main  focus  in  this  regard  should  be  the  primary  receiver  but currently there exists no feasible method of detecting the  interference temp at the primary receivers. 

16  Farrukh Javed F‐05‐020. Spectrum Sensing and Allocation in Cognitive Radios (DQE ‐ II) 

This  is solely due to the passive nature of these receivers. Hence, major work till to date  is focused on reducing interference to primary transmitters. Furthermore, even if temp interference at a precise loc is deduced, it’ll remain useless for a cognitive radio unless it can conclude the effect of its transmission on all primary receivers. 

7.2 Spectrum Sensing In Multi‐User Networks 

Most of the cognitive radios will have to operate in multi‐user environments, requiring not only minimal  interference to primary users but also competing with other xG users for the same spectrum. Most  of  the  research  done  does  not  cater  for multi‐user  scenarios. However,  a  cooperative  scheme which is subsequently discussed can be considered. This will greatly minimize the problems arising due to multi‐user interactions.  

7.3 Speed of detection 

The  complete  cycle  of  sensing,  analyzing  and  adapting  is  happening  in  real  time. Hence  the speed of acquiring  spectrum  information  is extremely essential  to avoid  interference and  / or missed opportunities  for  spectrum  utilization.  This  is  greatly  dependent  on  the modulation  scheme  of  the transmission. In [12, 13, and 14] it has been deduced that OFDM is the most suited transmission scheme for cognitive radios. Once a primary user is detected by a single carrier, detecting all other carriers is not necessary. This at present is also another area open for reach. 

   

  Farrukh Javed F‐05‐020. Spectrum Sensing and Allocation in Cognitive Radios (DQE ‐ II)  17 

Section III – Spectrum Allocation 

Spectrum  sensing  gives  a  broad‐based  information  to  proceed  on  to  the  more  important functionality of spectrum allocation. Spectrum allocation not only comprises of the process of spectrum analysis and spectrum decision but encompasses a variety of issues such as spectrum mobility, spectrum sharing,  spectrum  access  etc.  Whereas  the  spectrum  sensing  primarily  deals  with  physical  layer, spectrum  allocation  deals  generally  with  the  higher  layers.  The  spectrum  allocation  is  a  widely researched  topic  and major  issues  need  to  be  compromised  as  yet. A  broad  of  spectrum  allocation functionality is as follows: 

8. Spectrum Analysis 

The physical layer of spectrum sensing provides all the raw information to the spectrum analysis functionality.  The  analysis not only  examines  the  time  varying  radio  environment  but  also measures various parameters of primary and co‐existing xG users of the spectrum. The information is collected on basis of various matrices. Generally the spectrum is analysed for three things: 

•  Channel capacity 

• Primary user related information 

• xG user information   

8.1 Channel capacity   

The following factors might be considered for channel capacity analysis. 

• Path Loss:  Path  loss  is  directly  proportional  to  the  operating  frequency.  Hence  it  is  a  major consideration for transmission power. In order to avoid interference to other users the transmission power should be kept  to  the minimum but  it should remain high enough  to be of use. Hence  the transmission power is to be adjusted as per operating freq.  

• Wireless Link Error:    The error rate of the channel changes with the transmission scheme and interference level of the spectrum band. Hence related information is of importance.   

• Link Layer Delay:  Due to the inherent flexibility in the design all the proposed networks are multi‐layer concepts. This brings into consideration the delay involved in various protocol layers.  

• Noise Info:    The noise existent in the neighbouring radio environment must be considered in all analyses. Especially the  interference temperature model which appears to be the most feasible spectrum sensing option utilises the noise floor as the basis of all calculations. 

8.2 Primary and xG network user info 

Similar  information  is  required about xG and primary users. The  following  information will be feasible in this regard. 

18 

• Interfanalysto det 

• Holdincognitbecauinformthis in 

• User user aerror 

 

 

Farrukh Ja

ference: sed for informtect the spect

ng Time: tive radio. Thuse  it will  redmation can benformation fo

transmission are useful to rate, entropy

aved F‐05‐020. 

Some  specmation abouttrum holes.  

Holding  timhe greater thduce  the  hane acquired baor all the user

Parameters:decide the sy etc are usef

Spectrum Sen

ctrum  bandst the xG and p

me  is  the  ese holding timndoffs  a  cogased on statisrs.  

: The  transmuitable spectful for the cog

Fig . 9. Spectru

sing and Alloca

s  are  more primary users

stimated  timme, the bettenitive  radio  hstical models 

ission  charactrum for trangnitive radio t

um Sensing and 

ation in Cognit

congested  ts utilising the 

me  the  vacaner  is the perfohas  to  underor a coopera

cteristics of  tsmission. Datto predict the

Allocation

tive Radios (DQ

han  others. spectrum. Th

nt  slot  can  bormance of trgo  due  to  pative network

the primary ata such as moe behaviour o

QE ‐ II) 

The  spectruhis info is ana

be  occupied the cognitive primary  usersk can also gen

and  co‐existinodulation schof these users

um  is alysed 

by  a radio s.  The nerate 

ng  xG heme, s. 

  Farrukh Javed F‐05‐020. Spectrum Sensing and Allocation in Cognitive Radios (DQE ‐ II)  19 

 

8.3 Channel Capacity 

Channel capacity though theoretically defined as mean average entropy but here it is considered as a term encompassing all channel characteristics. 

The spectrum characterised by channel capacity have generally made the SNR parameters as the basis. Various models have been  considered  to utilise  the  SNR as a measure of  channel  capacity but channel  characteristics  can  never  be  fully  encompassed  utilising  SNR  only.  All  the  above mentioned factors  form  matrices  that  must  be  considered  for  channel  analysis.  Various  models  have  been suggested  in  this  regard which  take  additional  factors  into  consideration  e.g.  in  [3]  the  interference temperature model discussed in previous section is suggested for measures of channel capacity. In [14] bandwidth  and  permissible  transmission  power  are  suggested  as  the  basis  of  system  capacity measurement C. 

C  =  B  log ( 1 +    S/ (N+I) ) 

Where B  is the bandwidth, S  is the received signal power from cognitive radio, N  is the cognitive radio noise power and I is the interference power received at the cognitive radio due to primary users.  In [15] OFDM based cognitive radio channel capacity is defined as 

 12log  1  

Where Ω is the collection of unused spectrum segments, G (f) is the channel power gain at freq f. So & No are the signal and noise power per unit frequency respectively.  

8.4 Spectrum analysis Challenges 

• Heterogeneous Spectrum Sensing:  All  un‐conventional  and  unconventional  analysis methods  are designed to operate on a limited frequency band. Even in software radios the general approach is to follow a frequency filtration mechanism immediately after the RF front end and then the analogue to digital conversion  stage. However,  in case of a cognitive  radio  the complete  spectrum  is  to be analysed  for  various  parameters.  The  more  elaborate  is  the  analysis  the  more  flexible  and interference free performance will be acquired.  

 

• Non Cooperative Primary and xG users:  The  biggest  analytical  challenge  is  the  analysis  of primary and co‐existing xG users. The data  is extremely  important for deciding a suitable band for transmission. All decisions for switching from one spectrum hole to another are also based on the same data. In a non‐cooperative xG network this poses to be a big design challenge.   

• Varying Transmission Parameters:    The  spectrum holds multiple users  at  all  time utilising different modulation schemes, data, error rate etc. In order to accommodate the requisite flexibility to the channel, cognitive radio should be able to adapt to all the varying conditions. 

20  Farrukh Javed F‐05‐020. Spectrum Sensing and Allocation in Cognitive Radios (DQE ‐ II) 

  

• Real Time Analysis:    The Cognitive nature of a cognitive radio demands continuous real time analysis. The broad  spectrum  time varying parameter over which  the  cognitive  radio  is operating make the real time analysis very difficult to accomplish.   

• Delays in Processing:  In  order  to  cause  minimum  disturbance  to  the  primary  network (licensed users) and have better  spectrum  sharing with  co‐existing  cognitive  radios  it  is primal  to undergo a handoff.   Another situation for handoff may arise,  if the conditions  in the occupied slot deteriorate below an acceptable  level. Or a  situation  in which a more  feasible  slot  is offered  for occupation for which the handoff  losses to performance are a worthy bargain. The handoffs cause processing delays which might be very taxing for the cognitive radio performance. 

Special  considerations  are  to be made  to minimise  the no of handoffs  and  the performance degradation  so  that  the  cognitive  radio must  be  able  to  adapt  to  its  surroundings  in minimum possible time. This necessitates the minimisation of processing delays in the analysis stage. Though, the advanced DSP techniques and processors have evolved to a  level that makes this task possible but still highly cumbersome.  

 

8.4.1 Opportunities 

As  discussed  spectrum  sensing  proves  to  be  a  design  challenge  at  physical  layer  but  the spectrum analysis is a software design problem. The evolution of software radios has for the time made it possible to visualise the existence a  level of flexibility primal for a cognitive radio. This has rendered many discussions  to describe  cognitive  radio  as  an  extension of  software  radios.  In  any  case,  as  the technology  for a cognitive radio matures, the software radio concepts have already evolved to a  level where they can be effectively utilised for spectrum analysis and decision.  

9. Spectrum Decision 

The  spectrum  once  analysed  for  all  relevant  parameters  is  chosen  for  transmission  at  a particular  slot.  The  decision  also  includes  the  transmission  characteristics.  This  is  the  most computationally extensive and  complex block of  cognitive  radio. The decision not only  caters  for  the spectrum characteristics but also  the protocols  involved  for  spectrum  sharing and  spectrum mobility. Based  on  this  information  few  holes  are  identified  for  transmission.  These  are  than  compared with transmission requirements to decide which slot will most suitably fulfil the user’s requirements of data rate,  modulation  scheme,  bandwidth  etc.  A  suitable  slot  is  finally  selected  which  can  provide  the required QoS  for  the  transmission. The decision  is made  in  real  time and has  to be changed with  the changing parameters. The complexity of decision block is evident from multifarious challengers it poses. The research  issues that need to be  investigated to  implementation of spectrum decision functionality are: 

• Spectrum management 

• Spectrum mobility  

• Spectrum sharing 

  Farrukh Javed F‐05‐020. Spectrum Sensing and Allocation in Cognitive Radios (DQE ‐ II)  21 

 

9.1 Spectrum Mgmt:      

  The  term  is being utilised  to  indicate  those  functions of  the  spectrum decision block directly related with spectrum characteristics. These include all the elements discussed in section 8.1. Based on the discussed factors, conclusions about the spectrum utilisation are to be made. The challengers faced in spectrum management functionality include. 

• Decision Model:  As mentioned in the previous section, the criterion for spectrum selection is not restricted  to SNR parameters, various models are discussed e.g.  [14] and  [15]  included additional spectrum characteristics for choosing the optimum spectrum characteristics. However, no proposed criterion as yet includes all relevant requirements for measuring true channel capacity.  

• Multiple Spectrum decision:   A very interesting opportunistic idea discussed in [3] and [16] is to use multiple non‐contiguous spectrum bands for transmission. This has various advantages.  First, the  limitation  on  bandwidth  to  transmission  is  lifted,  as multiple  slots  are  simultaneously  being utilized  for  transmission.   This will enable  to use wide band  transmission  techniques  that greatly enhance the performance of the transmission. It is because of the fact that even if some of the slots are  compromised  due  to  interference,  still  complete  data  will  not  be  lost.  The  temperature interference model previously discussed is also suited for wide band transmission.  

• Reduced Transmission Power:  Another major  advantage  is  that  transmission power  required for each  slot will be much  lesser. How  to determine number of  transmission  slots and  the  set of appropriate bands are still open research issues in xG networks.   

• Cooperation with reconfiguration:    The  spectrum  allocation  stage  is  succeeded by  the  re‐configurability functionality of a cognitive radio. The decisions made must be able to consider the re‐configurability  limitations  in  order  to make  as  correct  decision  about  the  transmission  slot  and parameters as possible.   

• Heterogeneous  Spectrum:  The  heterogeneity  of  spectrum  creates  un‐conventional  and  varying problems. The spectrum contains primary users with licensed bands with greater priority use and xG networks co‐existing and competing for spectrum resources. Spectrum sharing  is accomplishing by protocols  which  are  at  times  well  decided  or  in  some  cases  evolving  or  amorphous.  These  all considerations make the spectrum management problems a complex one. So spectrum slots avail as holes, still need to be prioritized for occupation.  

9.2 Spectrum Mobility   

A  cognitive  radio  is design  to  switch  its operating  frequency on  the  run and  switch  from are white space  to another, all the time. The aim  is to always occupy the most suitable transmission slot. This “Get the best channel” strategy results  in spectrum mobility. The switching at a channel from one hole to another is called “Spectrum Handoff” [3].  

22  Farrukh Javed F‐05‐020. Spectrum Sensing and Allocation in Cognitive Radios (DQE ‐ II) 

       A spectrum handoff may be  initiated  in various situations.  If a primary user appears, the cognitive radio  has  to  undergo  a  handoff.  Another  situation  may  be,  if  the  conditions  in  the  occupied  slot deteriorate  below  an  acceptable  level  or  a  situation  in  which  a more  feasible  slot  is  available  for occupation for which the handoff losses to performance are a worthy bargain.     

Special  considerations  are  to be made  to minimise  the no of handoffs  and  the performance degradation that is involved in each hand off. Well defined network protocols are required for regulating the process of handoffs. These handoffs  should be  smooth and arrangements  should be made  in  the protocols to cater for the latency involved in each had off.  

[7] Suggests a multi‐layered mobility management protocol required to accomplish the mobility functionalities.  The  examples  suggested  include  use  of  “Wait  Status”  in  a  TCP  network  during  the process of handoff. The switching of transmission parameters has to be accomplished during the same period smoothly. For a data transmission e.g. in FTP the protocol is suggested to store some packets to transmit in the handoff period. For a real time application this packets storage would not be practical.  

9.2.1 Spectrum mobility challenges 

There are many open research issues in spectrum mobility. A few may be: 

• Latency:     The delay is one major problem. Reduction of this delay is a design challenge and refining the process of handoff  is a standardized protocol requirement. The process should be smooth and arrangements for minimised performance degradation are to be made.  

• Suitable Algorithms  for mobility:         Sophisticate algorithms are  required  to be devised  to decide suitability  of  channels  for mobility.  Thong  the  spectrum management  functionality  decides  the suitability of a slot but spectrum mobility block should indicate if the switch off is suitable in terms of hand off losses.   

• Appearance of a primary user:  Appearance  of  a  primary  user  creates  a  situation  in  which handoff is to be made immediately with minimum losses. Special algorithms are to be defined that minimise the performance loss in this situation. An example is to keep a “Most suitable next slot(s)” always pre‐decided and in case a handoff is to be made, it may be accomplished without delay.   

• Vertical and inter‐cell handoff schemes:  Inter‐cell  handoff  is  simply  a  switch  from  one  slot  to another due to performance considerations while vertical handoffs are the switching at frequencies between  two  different  networks.  In  such  a  diverse  environment  it  is  highly  necessary  to  devise special procedures and mechanisms to implement these handoffs.   

• Suited threshold for inter‐cell handoffs:  As  a  handoff  may  be  carried  out  if  conditions  at  a certain  freq  slot  have  deteriorated  below  an  acceptable  level  or  if  another  slot  promises must enhanced  performance.  Deciding  an  optimum  threshold  or  level  is  highly  important  for  both 

 

situatrequir 

• Spectflexib 

• Spectmove

9.2.2 O

Thbeen prop

• Priorican boccupspectoptimmay bFIFO qthe  qflexibproce 

• Soft aadaptsoft h

Farrukh Ja

tions.  The  threments. Firs

rum mobilityility renders a

rum mobility ement of the u

Opportunities

he spectrum posed on the 

tised white spbe  consideredpation.  Similarum sharing a

mum slot readbe immediatequeue of suitqueues.  The  sle such that tessing delay. 

and hard  spetation to cognhandoff woul

aved F‐05‐020. 

hresholds  shtly the optim

y  in  time  doma complexity 

in space:      Tusers. This ad

 for spectrum

mobility is ansubject. Som

pace:  Insd  to  allow  thar  queues  shand user requdy for occupaely occupied wtable slots easequence  in the block wit

ectrum handonitive radio isd be the one

Spectrum Sen

hould  be  seum performa

main:    The mthat needs ve

The availabledds another d

m mobility   

n open area fme areas open

tead of waitihe  spectrum hould  be  mauirements blotion. Whenevwithout delayach having a which  the  dh maximum 

off:      The  ters a useful onee  in which th

Fig. 10. Spectru

sing and Alloca

lected  to  mance and seco

mobility  requiery elaborate

 band and  thdimension the

or research an for research

ng for a situamobility modade  by  the  socks. The firstver a situatioy. The spectr“duration of decision  blockrejections is a

rm handoff  ise because it be next slot  is

um Decision Fun

ation in Cognit

make  a  comond, minimisi

irements  are e arrangemen

he user  reque spectrum m

and not manyh are indicate

ation where adule  to makespectrum  shat intersectionon arises that rum decision suitability” tk  consults  itsalways first c

s more  suitebrings some res occupied be

nctionality

tive Radios (DQ

promise  beting number o

continuouslynts to sustain 

irements alsomobility challe

y algorithms ad below. 

a handoff bece  a queue ofaring,  spectrn of these quenecessitate ablock shouldtag with  it afts  predecessoconsulted. Th

d  to  cellular eadily made sefore  leaving 

QE ‐ II) 

tween  two  pof hand offs.

y  varying  andit.  

o change witenge.  

and protocols

comes necessf  suitable  slorum  managemeues should ba handoff, th also be carryter which  it  lors  should  alsis will reduce

networks busolutions withthe previous

23 

prime 

d  this 

th  the 

s have 

sary it ts  for ment, be the e slot ying a eaves so  be ed the 

ut  the h it. A s slot. 

24  Farrukh Javed F‐05‐020. Spectrum Sensing and Allocation in Cognitive Radios (DQE ‐ II) 

This results in almost no loss in performance. There might be a standby arrangement which is ready to take over at any time having the next most feasible slot as its operating frequency. Whenever the situation  arises  the  handoff  is  made  with  little  or  no  delay.  This  might  results  in  enhanced complication and increase cell occupancy but major issues related to spectrum handoff performance degradation might be resolved.  

9.3 Spectrum Sharing 

The ultimate goal of a cognitive radio is to share the spectrum with the primary and co‐existing xG users. The term “spectrum sharing” has been variedly used  in different works.  In  [7]  the spectrum sharing is described as the complete process including spectrum sensing, spectrum allocation, spectrum access, transmitter receiver hand‐shake and transmitter mobility. In this paper the terminology  is used to indicate the functionality of a cognitive radio that enables it contest with other xG users and interact with primary users for sharing the spectrum.  

  The  spectrum  sharing  techniques  can be  classified on  the basis of  there different aspects  i.e. According  to  their  architectural  assumption,  spectrums  allocation  behaviour  and/or  spectrum  access techniques. Each approach must also elaborate the inter‐network or intra‐network sharing. 

9.3.1 Architecture based classification 

• Centralised spectrum sharing:   As indicated by the name, there is a central entity that controls the spectrum sharing process. In order to aid the process a network of sensor nodes is suggested which feed  the  controlling  central  entity.  Based  on  the  information  of  theses  sensors,  a  spectrum allocation map is formulated.   

• Distributed spectrum sharing:       In distributed spectrum sharing each node  is self sufficient with  its own sensing mechanism. The sharing is done on basis of local (or if possible global) policies. 

9.3.2 Challenges and Opportunities 

  Centralised  spectrum  sharing  is  by  far  the  better  option  as  it  accommodates  not  only  the spectrum  sharing  but  also  as  a  hub  for  control  /  Coordination  of  various  cognitive  radios  in  the  xG network. Sharing of interference information and spectrum concentration can also be communicated to each user through the central hub. The implementation of protocols will be much easier and less delay will be involved. 

Distributed spectrum sharing is considered in situations where development of an infrastructure is not possible due to limited resources. This results in reduced spectrum utilisation but economic use of resources.  

9.3.3 Spectrum Sharing based on the access behaviour 

The  spectrum  sharing  technique  may  also  be  classified  on  basis  of  access  behaviour.  The spectrum access can be co‐operative or non‐cooperative.  

  Farrukh Javed F‐05‐020. Spectrum Sensing and Allocation in Cognitive Radios (DQE ‐ II)  25 

• Cooperative Spectrum Sharing:  Cooperative or  collaborative  spectrum  sharing  is  a mutual  co‐existing  scheme  in  which  each  node  shares  its  transmission  information  with  the  other.  The information regarding the  interference measured at each node  is also shared among all users. This results  in  a  much  more  elaborate  and  accurate  spectrum  concentration  map.  All  centralised spectrum  sharing  networks  are  collaborative  while  distributive  networks  may  or  may  not  be collaborative.   

• Non‐cooperative Spectrum sharing:    The  non‐cooperation  solutions  more  appropriately called  as  selfish  solutions,  only  consider  the  node  at  hand.  This  results  in  reduced  spectrum utilization  but  offers  a  trade  off  for  practical  solutions  due  to  the  minimal  communication requirements. 

9.3.4 Challenges and Opportunities 

  The  compromise  like  previous  case  is  again  between  the  simplicity  and  performance.  A  co‐operative scheme is of course more optimal than the non‐cooperative scheme. In [20] it is studied that the  spectrum  utilization  in  case  of  a  cooperative  spectrum  sharing  is  much  higher  than  a  non‐cooperative spectrum sharing scenario even approaching the global optimum. The study is carried at on basis of spectrum utilization, fairness, throughput, channel allocation and potential neighbours.  

Similar  results  are  obtained  in  [21].  However,  limitation  on  these works  is  the  assumption  that location and  transmission power at primary users  is known which may not generally be  the case. The non‐cooperative sharing can be considered  in restrained resources situation where they are beneficial due to the minimal communication requirements.  

9.3.5 Spectrum sharing based on access technology  

• Overlay spectrum sharing:  This  is  the  situation where a  cognitive  radio occupies only  the  vacant slots  (holes)  in  the  spectrum  and  vacates  them  on  appearance  of  primary  users.  As  a  result interference to primary system is minimised. 

• Underlay Spectrum Sharing:     The  underlay  spectrum  access  techniques  utilises  the  spread spectrum  techniques  developed  for  cellular  networks.  The  interference  temperature  model previously discussed can be utilised for this purpose. The transmission is made on a broad band with much  reduced  transmission  power.  This  renders  the  primary  user  to  treat  it  as  noise.  The transmission  can  be made  until  the  noise  plus  the  cognitive  radio  transmission  power  does  not exceed  the  noise  threshold  of  the  receiver.  Though  this  technique  requires  sophisticated  spread spectrum techniques but can utilise increased bandwidth compared to overlay techniques.  

9.3.6 Challenges and Opportunities 

Spectrum sharing requirement based on access technology are a direct dictate of the spectrum access technique being utilized. Only  from a spectrum sharing point of view,  the underlay  technique  is more feasible as there is no requirement of information about the co‐existing primary and xG users. The only consideration  is  the  noise  level.  However,  performance  improvement  can  be  acquired  by  having  a 

26  Farrukh Javed F‐05‐020. Spectrum Sensing and Allocation in Cognitive Radios (DQE ‐ II) 

centralised or cooperative network which renders each node capable of differentiating between noise and another xG user. Another advantage  is the availability of much wider bandwidth which makes the completion for bandwidth less fierce. An overlay spectrum sharing techniques has the primal advantage of creating less interference for the primary network.  

9.4 Spectrum Sharing Challenges 

Spectrum  sensing  challenges  because  of  the  type  of  technique  being  utilised  have  been discussed but some well recognized common spectrum sharing challengers are discussed below: 

• Common control Channel:  Many  spectrum  sharing  solutions,  whether  centralised  or  distributed consider a common control channel for spectrum sharing. A common control channel may be used for various  spectrum  sharing  functionalities,  such as  sharing  interference  information,  transmitter receiver  handshake  or  communication with  a  central  entity.  The  challenge  is  that  like  all  other cognitive channel the common control channel also cannot be a fixed channel. As soon as a primary user appears, the control channel will have to switch to another hole. Moreover, a common channel for  various  xG  users  is  highly  topology  dependent  and may  need  to  change  itself  overtime.  [27] Suggested that for protocols requiring common control channel, either a mitigation technique needs to  be  devised  or  local  common  control  channel,  for  clusters  of  nodes  can  be  considered.  If  a common control channel is not used transmitter receiver handshakes become a challenge. Receiver driven techniques can be considered in this case.  

• Dynamic radio range:  As  interference varies with the operating frequency due to attenuation variation  hence  radio  range  is  a  function  of  the  operating  frequency.  Another  consequence  of varying operating  frequency  is  the change  in neighbouring  spectrum users. This  results  in varying interference profile  as well  as  routing decisions. Another  consideration  is  the  location of  control channels. The control channels are placed  in  lower portion of the spectrum to  increase range and data  channels  are  placed  in  higher  channel  where  a  localized  operation  can  be  utilized  with minimum  interference. There  is much  room  for  research  in operating  frequency aware  spectrum sharing techniques, which can cater for the direct inter‐dependence between interference and radio range.  

Fig. 11. Spectrum Unit [3]

  Farrukh Javed F‐05‐020. Spectrum Sensing and Allocation in Cognitive Radios (DQE ‐ II)  27 

 

• Spectrum Unit:  The complete operation of xG networks focuses on switching of channel. Hence the  definition  of  channel  or  spectrum  unit  is  highly  critical.  Different modulation  schemes  use different spectrum units. This aspect has not been discussed  in detail  in most work done so far. In [28] a spectrum space is introduced for xG networks with power, freq, time, space and signal as its possible  dimensions.  Although  not  orthogonal,  but  these  dimensions  can  be  used  to  distinguish signals.  In  [3]  a  virtual  cube  model  is  discussed.  The  resource  is  modelled  in  a  3‐dimensional resource space with time, rate and power/code as dimensions. The rate dimension models the data rate of the network the time dimension models the time required to transfer information.  

10. Conclusion 

It  is not an over‐statement  to declare  the cognitive  radio as  the  future of  telecommunication rather than the part of the future. An environment aware, intelligent network with cognitive radios as its nodes  is  the  only  available  option  for  sustaining  the  enhanced  and  varying  needs  that  continue  to appear with every passing day. In this paper cognitive radios are discussed with special emphasis on the spectrum sensing and allocation  functionalities. Various  techniques used are discussed along with  the challenges  and  opportunities  offered  by  them.  The  sub‐functionalities  of  each major  block  are  also explained  in  detail.  The  discussion  on  spectrum  allocation  also  includes  the  discussion  on  spectrum sharing,  spectrum mobility and  spectrum management as part of  spectrum allocation. The paper  is a survey of  latest  trends  in  spectrum  sensing and allocation  functionalities of  cognitive  radios and also highlights open areas for research. 

   

28  Farrukh Javed F‐05‐020. Spectrum Sensing and Allocation in Cognitive Radios (DQE ‐ II) 

References 

[1]   FCC, ET Docket No 03‐222 Notice of proposed rule making and order, December 2003. 

[2]  Jean‐Pierre  Hubaux, M.  H. Manshaei, M.  Felegyhazi,  J.  Freudiger,  and  P. Marbach:  Spectrum  Sharing Games of Network Operators and Cognitive Radios. EPFL, August 2005. 

[3]  Ian F. Akyildiz, Won‐Yeol Lee, Mehmet C. Vuran, Shantidev Mohanty: NeXt generation/ dynamic spectrum access  /  cognitive  radio wireless  networks;  A  survey.  School  of  Electrical  and  Computer  Engineering,  Georgia Institute of Technology, United States. January 2006. 

[4]   J. Mitola III, Cognitive radio: an integrated agent architecture for software defined radio, Ph.D Thesis, KTH Royal Institute of Technology, 2000. 

[5]  S. Haykin, Cognitive radio: brain‐empowered wireless communications, IEEE Journal on Selected Areas in Communications 23 (2) (2005) 201–220. 

[6]  F. Digham, M. Alouini, M. Simon, On the energy detection of unknown signals over  fading channels,  in: Proc. IEEE ICC 2005, vol. 5, May 2003, pp. 3575–3579. 

[7]  A. Ghasemi, E.S. Sousa, Collaborative spectrum sensing for opportunistic access in fading environment, in: Proc. IEEE DySPAN 2005, November 2005, pp. 131–136. 

[8]  A. Fehske, J.D. Gaeddert, J.H. Reed, A new approach to signal classification using spectral correlation and neural networks, in: Proc. IEEE DySPAN 2005, November 2005, pp. 144–150. 

[9]  S.  Shankar,  Spectrum  agile  radios:  utilization  and  sensing  architecture,  in:  Proc.  IEEE  DySPAN  2005, November 2005, pp. 160–169. 

[10]  FCC,  ET Docket No  03‐237 Notice  of  inquiry  and  notice  of  proposed  Rulemaking, November  2003.  ET Docket No. 03‐ 237. 

[11]  B. Wild,  K.  Ramchandran,  Detecting  primary  receivers  for  cognitive  radio  applications,  in:  Proc.  IEEE DySPAN 2005, November 2005, pp. 124–130. 

[12]  I.F.  Akyildiz,  Y.  Li, OCRA: OFDM‐based  cognitive  radio  networks,  Broadband  and Wireless Networking Laboratory Technical Report, March 2006. 

[13]  H.  Tang,  Some physical  layer  issues of wide‐band  cognitive  radio  system,  in:  Proc.  IEEE DySPAN  2005, November 2005, pp. 151–159. 

[14]  T.A. Weiss,  F.K.  Jondral,  Spectrum  pooling:  an  innovative  strategy  for  the  enhancement  of  spectrum efficiency, IEEE Radio Communication Magazine 42 (March) (2004) 8–14. 

[15]  H.  Tang,  Some physical  layer  issues of wide‐band  cognitive  radio  system,  in:  Proc.  IEEE DySPAN  2005, November 2005, pp. 151–159. 

[16]  I.F.  Akyildiz,  Y.  Li, OCRA: OFDM‐based  cognitive  radio  networks,  Broadband  and Wireless Networking Laboratory Technical Report, March 2006. 

  Farrukh Javed F‐05‐020. Spectrum Sensing and Allocation in Cognitive Radios (DQE ‐ II)  29 

[17]  V. Brik, E. Rozner, S. Banarjee, P. Bahl, DSAP: a protocol for coordinated spectrum access,  in: Proc.  IEEE DySPAN 2005, November 2005, pp. 611–614. 

[18]  C. Raman, R.D. Yates, N.B. Mandayam, Scheduling variable rate links via a spectrum server, in: Proc. IEEE DySPAN 2005, November 2005, pp. 110–118. 

[19]  S.A.  Zekavat,  X.  Li,  User‐central  wireless  system:  ultimate  dynamic  channel  allocation,  in:  Proc.  IEEE DySPAN 2005, November 2005, pp. 82–87. 

[20]  C. Peng, H. Zheng, B.Y. Zhao, Utilization and fairness  in spectrum assignment for opportunistic spectrum access, in: ACM Mobile Networks and Applications (MONET), 2006. 

[21]  H. Zheng, C. Peng, Collaboration and  fairness  in opportunistic spectrum access,  in: Proc.  IEEE  ICC 2005, vol. 5, May 2005, pp. 3132–3136. 

[22]  V. Brik, E. Rozner, S. Banarjee, P. Bahl, DSAP: a protocol for coordinated spectrum access,  in: Proc.  IEEE DySPAN 2005, November 2005, pp. 611–614. 

[23]  L. Cao, H. Zheng, Distributed spectrum allocation via  local bargaining,  in: Proc.  IEEE Sensor and Ad Hoc Communications and Networks (SECON) 2005, September 2005, pp. 475–486. 

[24]  L. Ma, X. Han, C.‐C. Shen, Dynamic open spectrum sharing MAC protocol for wireless ad hoc network, in: Proc. IEEE DySPAN 2005, November 2005, pp. 203–213. 

[25]  S. Sankaranarayanan, P. Papadimitratos, A. Mishra, S. ershey, A bandwidth sharing approach to  improve licensed spectrum utilization, in: Proc. IEEE DySPAN 2005, November 2005, pp. 279–288. 

[26]  J. Zhao, H. Zheng, G.‐H. Yang, Distributed coordination in dynamic spectrum allocation networks, in: Proc. IEEE DySPAN 2005, November 2005, pp. 259–268. 

[27]  H. Zheng, L. Cao, Device‐centric spectrum management, in: Proc. IEEE DySPAN 2005, November 2005, pp. 56–65.