Resource Allocation Frameworks for Multi-carrier-based Cognitive Radio Networks with full and Statistical CSI

par Juwendo Denis

Thèse de doctorat en Radiocommunications

Sous la direction de Didier Le Ruyet.

Le président du jury était Philippe Ciblat.

Le jury était composé de Didier Le Ruyet, Mylène Pischella, Faouzi Carlos Bader.

Les rapporteurs étaient Samson Lasaulce, Eduard Jorswieck.

  • Titre traduit

    Allocation de ressources pour les réseaux de radio cognitive basés sur les modulations multi-porteuses avec connaissance exacte et statistique des canaux


  • Résumé

    Durant les deux dernières décennies, l'ubiquité et la prolifération des technologies sans fil ont entrainé une forte augmentation de demande de la ressource spectrale. Face à la croissance incessante du nombre d'utilisateurs désirant accéder au réseau, il existera un risque assez élevé de congestion au niveau de l'accès au spectre radio. Pour pallier à ce problème, il devient essentiel de recourir à un partage dynamique du spectre au détriment du mode de gestion statique de la bande de fréquence. L'avènement de la radio cognitive répond pertinemment aux besoins actuels car elle permet à des utilisateurs dits secondaires d'accéder à des bandes de fréquence qui restent affectées à des utilisateurs dits primaires. Les différents algorithmes proposés ont été examinés par simulation sur des scenarios qui illustrent les résultats théoriques obtenus. Les résultats de simulations démontrent que les méthodes proposées permettaient de trouver des solutions qui sont très proches de l'optimale.Au regard de certaines caractéristiques inhérentes aux modulations à porteuses multiples, celles-ci sont très appropriées à la couche physique des réseaux de radio cognitive. Cependant, le manque de coopération active entre les utilisateurs primaires et secondaires est susceptible d'entrainer une communication désynchronisée entre les système primaires et secondaires. En conséquence, une allocation judicieuse en termes de ressource radio et de contrôle de puissance devient impérative pour combattre l'effet négatif propre aux transmissions asynchrones qui devient aussi un défi de taille pour la conception et la mise en œuvre des réseaux de radio cognitive. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l'étude de certaines problématiques d'allocation de ressources pour un réseau désynchronisé de radio cognitive qui utilise des modulations à porteuses multiples. Dans un premier temps, nous supposons que la connaissance des informations de canal est disponible à l'émission. Nous étudions des techniques permettant d'optimiser l'allocation de ressources afin de minimiser la somme des puissances émises au niveau des utilisateurs secondaires. Nous nous intéressons aussi à la conception d'algorithmes permettant d'optimiser l'efficacité énergétique des utilisateurs secondaires. La seconde partie de la thèse concerne l'optimisation de la fonction d'utilité des utilisateurs secondaires en tenant compte des contraintes de probabilité de coupure des utilisateurs primaires et secondaires. Cette probabilité de coupure découle de l'hypothèse de la connaissance de la distribution du canal au niveau des stations de base secondaires. Les différents algorithmes proposés ont été examinés par simulation afin d'illustrer les résultats théoriques obtenus. Les résultats de simulations démontrent que les méthodes proposées permettent de trouver des solutions qui sont très proches de l'optimale.


  • Résumé

    The ubiquity and proliferation of wireless technology and services considerably lead to a sharp increase in the number of individuals requiring access to wireless networks in recent decades. The growing number of mobile subscribers results into a dramatic increasing request for more radio spectrum. Consequently, underutilized yet scarce radio spectrum becomes overwhelmingly crowded. Therefore, the advent of new radio resource management paradigm capable of switching from static licensed spectrum management to dynamic spectrum access is of great importance. Cognitive radio (CR) emerged as a promising technology capable of enhancing the radio spectrum by permitting unlicensed users known as secondary users to coexist with primary users. Meanwhile, multi-carrier modulations that can efficiently overcome the detrimental effect of multipath fading in a wireless channel are very appealing for the physical layer of cognitive radio networks. However, the lack of cooperation between primary and secondary users may lead to asynchronous transmission and consequently result into inter-carrier interferences. Judicious resource allocation frameworks need to be designed in order to maintain the coexistence between primary and secondary users. Guaranteeing secondary users' quality of service (QoS), while ensuring that interferences generated to the primary users are tolerable, poses significant challenges for the design of wireless cognitive radio networks. This dissertation focuses on resource, i.e. subcarrier and power, allocation for multi-carrier-based downlink cognitive radio networks under perfect or statistical channel state information (CSI) with secondary users interact either cooperatively or competitively. Firstly, the problem of margin adaptive and energy-efficiency optimization are investigated considering perfect CSI at the secondary users' side. Secondly, assuming statistical CSI available at the secondary users, we address the problem of utility maximization under primary and secondary outage constraints. We provide some near-optimal resource allocation schemes to tackle the aforementioned problems. The findings and proposed frameworks can eventually be used for performance assessment and design of practical cognitive radio networks.


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