Cooperative cognitive telecommunication systems with wireless energy transfer and statistical channel state information knowledge

[N. Kozić]

155 str.

Elektrotehnika i računarstvo -Telekomunikacije / Electrical and computer engineering - Telecommunications

Uloga telekomunikacionih sistema nove generacije je da obezbede telekomunikacione veze velikih brzina prenosa koje će omogućiti sakupljanje, prenos, kontrolu i procesiranje podataka, čime se stvara adekvatno okruženje za dalji razvoj sistema Interneta stvari (IoT, Internet of Things). Veliki broj prostorno raspoređenih povezanih uređaja i senzora malih dimenzija i male snage sa skromnim računskim kapacitetima zahteva prilagođene koncepte za pristup spektru, kao i za efikasno napajanje uređaja. Koncept kognitivnog pristupa spektru uveden je sa idejom povećanja spektralne efikasnosti, pri čemu se jedan od najvažnijih pristupa zasniva na kontrolisanju nivoa interferencije na mestu primarnih prijemnika. Zaštita primarnih korisnika se realizuje adaptacijom predajne snage sekundarnog korisnika u realnom vremenu, u skladu sa dostupnom informacijom o stanju u kanalu ka prijemniku primarnog korisnika spektra. Kako je ova informacija praktično uvek nesavršena u realnom dinamičnom okruženju, posebnu pažnju privlače sistemi koji se zasnivaju na statističkoj informaciji o stanju u kanalu. Ovaj pristup olakšava primenu kod uređaja male snage i skromnih računskih mogućnosti, jer su pojednostavljena kompleksna izračunavanja potrebna za adaptaciju snage. Povećanje broja korisnika u novim generacijama sistema, osim unapređenja spektralne efikasnosti, zahteva i povećanu energetsku efikasnost i nova rešenja za napajanje velikog broja uređaja. Radi efikasnog napajanja velikog broja uređaja male snage uveden je koncept prikupljanja i korišćenja energije iz okruženja. Iako postoje različite vrste izvora energije koji se mogu koristiti, prikupljanje energije iz postojećih radio-frekvencijskih signala omogućuje neophodnu pouzdanost u snabdevanju energijom, kao i primenu tehnika za istovremeni prenos informacija i energije. U ovoj disertaciji analizirane su performanse sistema koji koriste kognitivne principe pristupa spektru sa kontrolisanim nivoom interferencije, bazirane na statističkoj informaciji o stanju u kanalu, pri čemu se napajanje sistema vrši primenom bežičnog prenosa energije. U tezi je razmatrana zavisnost sakupljene energije od uslova propagacije i parametara primenjenog protokola za istovremeni prenos informacija i energije. Osim toga, u sistemima sa velikim brojem uređaja koji emituju malom snagom često ne postoji direktna optička vidljivost u svim slučajevima, pa su razmatrani i scenariji kada se prenos informacija odvija posredstvom relejnog čvora u mreži. Izvršena je analiza sistema za slučaj kada svi korisnici imaju fiksne pozicije, usled čega su rastojanja korisnika u mreži konstantna. Kako korisnike novih generacija bežičnih telekomunikacionih sistema karakteriše visok nivo mobilnosti, izvršena je i detaljna analiza uticaja kretanja korisnika na performanse sistema. U savremenim bežičnim telekomunikacionim sistemima veliki izazov predstavlja i zaštita informacija koje se prenose. Kako su mogućnosti primene konvencionalnih tehnika zaštite informacija ograničene zbog visokog nivoa računske složenosti, u disertaciji su analizirane i mogućnosti zaštite prenosa podataka na fizičkom sloju.

The role of new generation telecommunication systems is to provide high-speed telecommunication connections that will enable the collection, transmission, control and processing of data, thereby creating an adequate environment for the further development of IoT systems. A large number of spatially distributed connected small-sized devices and sensors with modest powering and computational capabilities require appropriate concepts for efficient spectrum access, as well as for efficient powering the devices. To increase spectral efficiency, the concept of cognitive radio was proposed, where underlay represents one of the most standing-out approaches, based on the controlling of the generated interference in primary user network. The protection of the primary user is performed based on real-time secondary user power adaptation, based on available channel state information. As this information is practically always imperfect in a realistic dynamic environment, systems based on statistical channel state information are of special interest. This approach enables easier implementation in systems with low-power devices and modest computational capabilities. Furthermore, the increase in number of users in new system generations requires improved energy efficiency and novel solutions for the powering of the large number of devices. In order to efficiently power the devices, the concept of energy harvesting from the sources available in the environment was introduced. Although there are several available energy types, energy harvesting from existing radio-frequency signals enables the necessary reliability in energy powering, as well as the simultaneous wireless information and power transfer. In this dissertation, the cognitive radio system that uses underlay spectrum access approach and statistical channel state information knowledge is analyzed. The wireless energy transmission technique is used for the system powering. The thesis discusses the dependence of the harvested energy on the propagation conditions and the applied protocol parameters for the simultaneous wireless information and power transfer. In addition, due to the large number of low-power devices in the system, the scenario when there is no direct line of sight between nodes is considered and information transfer takes place through a relay node in the network. An analysis of the system was performed for the case when all users have fixed positions and user distances in the network are consequently constant. As users of new generations of systems are characterized by a high level of mobility, the analysis is extended to the case when user is mobile and the impact of user mobility on wireless telecommunications system performance is analyzed. In modern wireless communication systems, the security of transmitted information represents a challenge. As the possibilities of applying conventional information security techniques are limited due to the high level of computational complexity, the dissertation also analyzed the possibilities of physical layer security.

Bežični prenos energije, kapacitet sistema, kognitivni radio, kooperativni sistemi, statistička informacija o stanju u kanalu, Nakagami-m feding, verovatnoća otkaza

Wireless energy transfer, system capacity, cognitive radio, cooperative systems, statistical channel state information knowledge, Nakagami-m fading, outage probability

621.396:004(043.3)

Tekst