Empirical modelling of spectrum use and evaluation of adaptive spectrum sensing in dynamic spectrum access networks

Wellens, Matthias; Mähönen, Petri Heikki

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-32489

Empirical modelling of spectrum use and evaluation of adaptive spectrum sensing in dynamic spectrum access networks = Empirische Modellierung von Spektrumsnutzung und Leistungsbewertung von Adaptivem Spektrum Sensing in Netzen mit dynamischem Spektrumszugriff

Wellens, Matthias

2010

VerantwortlichkeitsangabeMathias Wellens

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

Umfang248 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Zsfassung in dt. u. engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Mähönen, Petri Heikki (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-05-14

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-32489
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51779/files/3248.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Vernetzte Systeme (615510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Kommunikation (Genormte SW) ; Kognitiver Funk (Genormte SW) ; Funknetz (Genormte SW) ; Spektrum (Genormte SW) ; Regulierung (Genormte SW) ; Strahlungsmessung (Genormte SW) ; Radiometrie (Genormte SW) ; Messung (Genormte SW) ; Digitalmesstechnik (Genormte SW) ; Optimierung (Genormte SW) ; Leistungsbewertung (Genormte SW) ; Anpassung (Genormte SW) ; Kontextbezogenes System (Genormte SW) ; Mathematische Modellierung (Genormte SW) ; Modellierung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; dynamischer Spektrumszugriff (frei) ; Spektrumsmodell (frei) ; Spektrumsnutzung (frei) ; dynamic spectrum access (frei) ; spectrum model (frei) ; spectrum use (frei) ; cognitive radio (frei) ; spectrum sensing (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
rvk: ZN 6230 * ZN 6040 * ZN 6560

Kurzfassung
Die steigende Popularität von drahtloser Kommunikation und Multimediaanwendungen führt zu einem wachsenden Bedarf an Funkspektrum. Der Großteil des kommerziell sinnvoll nutzbaren Spektrums wurde jedoch bereits diversen Diensten zugewiesen und die Zuteilung von weiterem Spektrum ist ein komplizierter und langwieriger Prozess. Einige Autoren bezeichnen das derzeitige Vergabeverfahren für Funkspektrum als ineffizient und behaupten, dass es künstlich eine Verknappung von Spektrum verursacht. Diese These wird durch die Ergebnisse jüngster Messungen unterstützt, da erhebliche Mengen an ungenutztem Spektrum aufgezeigt wurden. Als Lösung für diesen Widerspruch wurden die Sekundärnutzung von lizenziertem aber ungenutztem Spektrum vorgeschlagen und verschiedene Architekturen für dynamischen Spektrumszugriff (Dynamic Spectrum Access, DSA) untersucht. Die bekannteste geht von priorisierten Primärnutzen (Primary Users, PUs), die über die Lizenz zur Nutzung eines Spektrumbands verfügen, und Sekundärnutzern (Secondary Users, SUs) aus, die opportunistisch Spektrum nutzen, das von den PUs frei gelassen wird. Die SUs suchen nach ungenutzten Spektrumsbändern, das sogenannte spectrum sensing, und verwenden sie für Sekundärübertragungen, sofern diese keine schädliche Interferenz für das Primärsystem verursachen. Die meisten Messungen wurden in den USA durchgeführt und es fehlen vergleichbare Ergebnisse aus Europa. Zusätzlich waren die meisten Kampagnen nur auf einzelne Bänder oder die ausschließliche Abschätzung der Auslastung konzentriert. Ähnlich limitiert sind die verfügbaren Modelle für die Spektrumsnutzung, die eine vollständigere Untersuchung verhindern. In dieser Dissertation wird ein umfassender Ansatz für die Modellierung von Spektrum und die Leistungsbewertung von DSA vorgestellt, der diese Beschränkungen aufhebt. Der empirische Teil der Arbeit umfasst den sorgfältigen Entwurf von zwei flexiblen Messaufbauten und die Durchführung umfangreicher Spektrumsmessungen in verschiedenen Szenarien und zwei europäischen Ländern. Die Ergebnisse bestätigen, dass beachtliche Mengen an Spektrum nicht vollständig genutzt werden, und verifizieren weitere analytische Ergebnisse im Bereich des kooperativen sensing. Mit Hilfe der gesammelten Messdaten werden die Haupteigenschaften der Nutzung von Spektrum ermittelt und Modelle eingeführt, die beinahe alle vorher bestimmten Charakteristiken reproduzieren. Bei diesem Unterfangen wird besonders darauf Wert gelegt, eine generische Methodik für die Modellierung zu entwickeln, die nicht spezifisch für die untersuchten Szenarien ist und dennoch realistische Parameter liefert. Adaptives spectrum sensing wird als Beispiel für Modellanwendungen untersucht und mit Ansätzen aus der Erneuerungstheorie als mathematisches Problem formuliert. Es wird gezeigt, dass die Auswertung von Informationen über die statistischen Eigenschaften von Spektrumsnutzung Leistungsverbesserungen ermöglicht. Es muss aber berücksichtigt werden, dass vorherige theoretisch bestimmte Steigerungsraten unter realistischeren Bedingungen kaum erreicht werden können. Dieses Ergebnis belegt die Bedeutung von präziser und umfassender Modellierung von Spektrum, wie sie in dieser Arbeit eingeführt wird. Kürzliche Regulierungsentscheidungen erlauben den Sekundärzugriff in ausgewählten Spektrumsbändern und auch die steigende Anzahl an Standardisierungsvorhaben zeigt das erweiterte Interesse an DSA. Die meisten verfügbaren Untersuchungen sind jedoch auf einzelne Komponenten konzentriert und berücksichtigen nur einen Teil des gesamten Systems. Die Methodik zur Modellierung und die abgeleiteten Parameter, die in dieser Arbeit beschrieben werden, bilden eine unerlässliche Basis für weitere Forschung im Bereich DSA und liefern einen sinnvollen Rahmen mit wohl begründeten Annahmen und Vorgaben.

The increasing popularity of wireless communication and multimedia applications yields a growing demand for radio spectrum. However, most of the commercially interesting spectrum has been assigned to various services and allocating further spectrum is a cumbersome process. Some authors claim that current policies are inefficient and cause an artificial spectrum scarcity. Recent measurements support these statements by showing that significant amount of spectrum is underutilized. Secondary use of licensed but vacant spectrum has been proposed as solution to this problem and several architectures for Dynamic Spectrum Access (DSA) have been studied. The most popular one assumes prioritized Primary Users (PUs), who often possess the spectrum license, and Secondary Users (SUs) that opportunistically access spectrum bands left idle by the PUs. The SUs search for vacant spectrum bands, so-called spectrum sensing, and may exploit these as long as the secondary emissions do not cause harmful interference to the primary system. Most measurement activities have been carried out in the USA and there is a lack of comparable results from Europe. Additionally, the scope of most campaigns has been limited to selected spectrum bands or the sole estimation of the duty cycle. Similarly, only simplified models focused on single aspects of spectrum use are available that prevent a more complete study. We address these shortcomings in this thesis and present an integrated approach to spectrum modelling and evaluation of DSA. The empirical work spans from the careful design of two flexible measurement setups to the execution of extensive spectrum measurements in various scenarios and two European countries. We confirm that considerable amount of spectrum is underutilized and verify further analytical results on cooperative sensing. Based on the gathered measurement data, we identify main properties of spectrum use and present models that reproduce almost all determined characteristics. In this process, special care is taken to develop a generic modelling methodology not specific to our measurement scenarios but still provide realistic model parameters. As example for model applications we study adaptive spectrum sensing using a renewal theory based problem formulation. Exploiting knowledge on spectrum use statistics enables performance enhancements although we also point out that the gains computed in previous analytical studies can hardly be accomplished under more realistic conditions. This result shows the importance of accurate and comprehensive spectrum modelling as put forward in this thesis. Recent spectrum regulatory decisions to allow for secondary access in selected spectrum bands and the increasing number of standardization activities demonstrate the wider interest in DSA. However, most existing work has been limited in scope and focused on single system components. We believe that the presented modelling methodology and the listed parameters provide a valuable basis for further DSA research under well justifiable assumptions.

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