Análise de desempenho de redes de rádios cognitivos sob canais em desvanecimento generalizado

Abstract

Este trabalho apresenta um estudo de sistemas de rádios cognitivos operando por meio de sensoriamento de espectro em cenários sob desvanecimento -μ e -μ. Neste contexto, é abordado um esquema baseado em detecção de energia, em que é possível obter formulações e analisar as características de operação do receptor. Nas curvas geradas é possível visualizar a probabilidade de não detecção (Pm, do inglês missing probability) pela probabilidade de falso-alarme (Pf , do inglês false-alarm probability). Diversos cenários são levantados, em que os parâmetros de desvanecimento de cada função de distribuição são variados para representar desde um cenário de desvanecimento suave até um cenário de desvanecimento severo. Juntamente com as características de operação do receptor das distribuições -μ e -μ, são geradas as características de operação do receptor para cenários de desvanecimento que seguem uma distribuição Rayleigh e de Ri e para efeito de comparação. O impa to da in certeza na estimação da potência do ruído nos detectores de energia é analisado. Em seguida, é discutido o sensoriamento espectral cooperativo, em que é investigado o comportamento dessas curvas características quando se utiliza um número n de usuários colaboradores. Novamente, para estes esquemas colaborativos, são levantados cenários sob desvanecimentos típicos e severos. São feitas comparações com dados experimentais de campo obtidos com as curvas teóricas geradas pelas distribuições -μ e -μ. Características de operação do receptor são apresentadas mostrando a probabilidade de falso alarme em relação a probabilidade de não detecção para diferentes quantidades de usuários colaborativos. Visando demonstrar os ganhos obtidos em um cenário cooperativo, para um número pequeno de colaboradores até um número grande, curvas ROC (receiver operating characteristics) foram geradas onde é possível ver a probabilidade de detecção pela razão sinal-ruído médio para cada grupo de n usuários colaborativos. É abordado uma solução para o problema de operação dos detectores de energia em regiões de baixa SNR, por meio do uso de limiares dinâmicos de decisão. Por m, a área sob a curva ROC (AUC) é utilizada para demonstrar a capacidade global de detecção dos detectores de energia, e por meio dessa métrica é esboçado o comportamento do sistema perante diversos parâmetros de desvanecimento e o ganho em desempenho pelo uso de diversidade espacial. ________________________________________________________________________ ABSTRACT

The current work presents a detailed study on spectrum sensing system under -μ and -μ fading channel. For the spectrum sensing, the approach taken was the use of energy detection, where we were able to generate complementary receiver operating characteristics curves, which plot the missing probability (Pm) versus the false-alarm probability(Pf ). Several s scenarios were detailed, where the fading parameters of ea h distribution were diversified to represent a typical fading s scenario until a severe fading. Along with the receiver operating characteristics curves of the -μ and -μ distributions, curves were generated for the cases of Rayleigh and Rice fading channel for comparison. The impact of the noise power estimation error on the energy detectors is analyzed .Next, the discussion on cooperative spectrum sensing was also debated, investigation on the behavior of complementary receiver operating characteristics curves when a number of n cooperative users is used. Again for the cooperative spectrum sensing, scenarios under a typical and severe fading conditions were created. Comparisons against field measurements and the theoretical curves provided by the -μ and -μ distribution. Complementary receiver operating characteristics curves are presented showing the false-alarm probability versus missing probability for different numbers of cooperative users. In order to demonstrate the gain in a collaborative s scenario, for a small number of users to a large number of users, ROC (receiver operating characteristics) curves were generated where it an be seen the detection probability versus the average signal-to-noise ratio for ea h group of n collaborative users. It is addressed a solution to the difficulty of the energy detector to operate in regions of low SNR, using dynamic threshold. Finally a metric is used to demonstrate the overall detection capability of the energy detectors, the figure of the area under the ROC curve (AUC), and through this metric the system behavior is drawn for different fading parameters and the performance gain is analyzed by the use of spatial diversity.