Utilisation des modulations multiporteuses à base de bancs de filtres pour l'application à la radio cognitive, Filter Bank based MultiCarrier (FBMC) for Cognitive Radio Systems

Haijian Zhang

Description

Sous la direction de Chine Université de Wuhan, Didier Le Ruyet, Daniel Roviras, Hong Sun
Thèse soutenue le 15 novembre 2010: CNAM
La radio cognitive (CR) est une radio entièrement reconfigurable qui permet de changer intelligemment ses paramètres de communication en réponse à l’activité des autres réseaux radios et demandes d’utilisateur. L’objectif ultime de la CR est de permettre à l’utilisateur secondaire (SU) d’utiliser la ressource de spectre disponible sans interférer sur l’utilisateur primaire (PU) en utilisant des trous de spectre. Par conséquent, la détection du PU est l’un des défis principaux dans le développement de la CR. Par rapport aux systèmes conventionnels de communication sans fil, le système CR introduit de nouveaux problèmes d’allocation de ressource (RA) en raison de l’interférence des canaux adjacents utilisés par le SU et le PU. Dans le contexte de la CR, la plupart des efforts ont été menés sur les systèmes de CR basés sur le multiplexage par division de fréquences orthogonales (OFDM). Toutefois, la technique de l’OFDM montre quelques points faibles dans l’application à cause des remontées significatives du spectre. Les modulations multiporteuses à base de bancs de filtre (FBMC) ont été récemment proposées pour des applications de CR. Dans cette thèse, trois points importants pour le développement d’un système de CR basé sur le FBMC sont discutés.Les trois points principaux peuvent être résumés ainsi: nous examinons premièrement les problèmes de détection de spectre des signaux OFDM et FBMC en employant le détecteur de signature de cyclostationnarité (CS). En outre, nous proposons une architecture de détection multi-bande basée sur le banc de filtre polyphasé (PFB), et montrons son avantage; deuxièmement, la comparaison entre l’OFDM et le FBMC du point de vue de l’efficacité spectrale est discutée; et enfin, nous proposons un algorithme stratégique d’allocation de ressource pour les systèmes cognitifs multi-cellulaires et multi-utilisateurs.Les algorithmes proposés dans cette thèse ont été testés par simulation. Les résultats numériques prouvent que le FBMC, par opposition à l’OFDM, pourrait réaliser une efficacité spectrale plus élevée et offre un avantage attrayant dans la détection de spectre. Les contributions de cette thèse ont accru l’intérêt d’appliquer FBMC dans les systèmes de CR à l’avenir.
-Radio cognitive
-Fbmc
-Ofdm
-Détection de spectre
-Comparaison de l’efficacité spectrale
-Allocation de ressource
Cognitive Radio (CR) is a fully reconfigurable radio that can intelligently change its communicationvariables in response to network and user demands. The ultimate goal of CR is to allowthe Secondary User (SU) to utilize the available spectrum resource on a non-interfering basis to thePrimary User (PU) by sensing the existence of spectrum holes. Therefore, the detection of PU isone of the main challenges in the development of the CR technology. Moreover, compared to conventionalwireless communication systems, CR system poses new challenges to Resource Allocation(RA) problems because of the Cross-Channel Interference (CCI) from the adjacent channels used bySU to PU. In the CR context, most past efforts have been spent on Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing (OFDM) based CR systems. However, OFDM technique exhibits some shortcomingsin application due to its significant spectrum leakage. Filter Bank based Multi-Carrier (FBMC), asanother promising Multi-Carrier Modulation (MCM) candidate, has been recently proposed for CRapplications. In this dissertation, three important issues in developing a FBMC based CR system arediscussed.The three prime issues can be summarized: we firstly survey the spectrum sensing problemsof OFDM and FBMC signals by using Cyclostationary Signature (CS) detector. Furthermore, wepropose a Polyphase Filter Bank (PFB) based multi-band sensing architecture, and argue for its advantage;secondly, the comparison of OFDM and FBMC from the spectral efficiency point of viewis discussed; and lastly, our emphasis is placed on the strategic resource allocation algorithms fornon-cooperative multi-cell CR systems.The overall proposed algorithms have been verified by simulation. Numerical results show thatFBMC, as opposed to OFDM, could achieve higher spectrum efficiency and attractive benefit inspectrum sensing. The contributions of this dissertation have heighten the interest in applying FBMCin the future CR systems.
-Cognitive Radio
-Fbmc
-Ofdm
-Spectrum Sensing
-Spectral Efficiency Comparison
-Resource Allocation
Source: http://www.theses.fr/2010CNAM0763/document

Sujets

• Orthogonal Frequency Division Multiplexing

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 138
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

`Modulations multiporteuses a base de
bancs de filtres pour la radio cognitive
´ ´presentee par
Haijian ZHANG
pour obtenir le grade de
Docteur du Conservatoire National des Arts et Me´tiers et Wuhan Universite´
Spe´cialite´: Lasers, Me´trologie et Communications
Soutenue le 15 novembre 2010 devant le jury compose´ de
Rapporteurs: Aawatif HAYAR
Jacque PALICOT
Examinateurs: Pierre SIOHAN
Jean-Franc¸ois HELARD
Maurice BELLANGER
Directeurs: Didier LE RUYET
Daniel ROVIRAS
Hong SUN
tel-00628956, version 1 - 4 Oct 2011Acknowledgements
First and foremost, I would like to express my deepest gratitude to my advisor Prof. Hong SUN
for sending me from Wuhan University to CNAM to pursue Ph. D. degree and meanwhile thank Prof.
Maurice BELLANGER so much for his courteous reception in CNAM and his help on my disserta-
tion. Furthermore, I would like to sincerely thank my other two advisors: Prof. Didier LE RUYET
and Prof. Daniel ROVIRAS for their patient guidance, encouragement, and valuable advice through-
out the course of my Ph.D. study. They are great mentors, I have benefited a lot from our technical
discussions. Working with them is a precious experience and they have contributed significantly not
only to my Ph.D. research but also to many aspects of my life in France.
Additionally, I would like to thank the financial support provided by Chinese government, project
PHYDYAS and project SAMSUFI. Besides, I am very grateful to my colleagues in Electronics and
Communications Laboratory of CNAM and Signal Processing Laboratory of Wuhan University:
Hajer KHANFIR, Yahia MEDJAHDI, Rostom ZAKARIA, Yunlong CAI, Mahmoud KHODJET-
KESBA, Bruno SENS CHANG, Wen YANG, Gui-song XIA, Lei YU, Rong CHEN, and etc., it is
very pleasant to work together with them. I would also like to thank all my friends in France and
China for their help and care before this dissertation is accomplished.
Finally, but by no means least, I would like to thank my whole family for their unconditional love
and endless support. This dissertation is dedicated to my parents.
Haijian ZHANG
Paris, September 2010
tel-00628956, version 1 - 4 Oct 2011Abstract
Cognitive Radio (CR) is a fully reconfigurable radio that can intelligently change its commu-
nication variables in response to network and user demands. The ultimate goal of CR is to allow
the Secondary User (SU) to utilize the available spectrum resource on a non-interfering basis to the
Primary User (PU) by sensing the existence of spectrum holes. Therefore, the detection of PU is
one of the main challenges in the development of the CR technology. Moreover, compared to con-
ventional wireless communication systems, CR system poses new challenges to Resource Allocation
(RA) problems because of the Cross-Channel Interference (CCI) from the adjacent channels used by
SU to PU. In the CR context, most past efforts have been spent on Orthogonal Frequency Division
Multiplexing (OFDM) based CR systems. However, OFDM technique exhibits some shortcomings
in application due to its significant spectrum leakage. Filter Bank based Multi-Carrier (FBMC), as
another promising Multi-Carrier Modulation (MCM) candidate, has been recently proposed for CR
applications. In this dissertation, three important issues in developing a FBMC based CR system are
discussed.
The three prime issues can be summarized: we firstly survey the spectrum sensing problems
of OFDM and FBMC signals by using Cyclostationary Signature (CS) detector. Furthermore, we
propose a Polyphase Filter Bank (PFB) based multi-band sensing architecture, and argue for its ad-
vantage; secondly, the comparison of OFDM and FBMC from the spectral efficiency point of view
is discussed; and lastly, our emphasis is placed on the strategic resource allocation algorithms for
non-cooperative multi-cell CR systems.
The overall proposed algorithms have been verified by simulation. Numerical results show that
FBMC, as opposed to OFDM, could achieve higher spectrum efficiency and attractive benefit in
spectrum sensing. The contributions of this dissertation have heighten the interest in applying FBMC
in the future CR systems.
Keywords: Cognitive Radio; FBMC; OFDM; Spectrum Sensing; Spectral Efficiency Compar-
ison; Resource Allocation;
tel-00628956, version 1 - 4 Oct 2011Re´sume´
La radio cognitive (CR) est une radio entie`rement reconfigurable qui permet de changer in-
telligemment ses parame`tres de communication en re´ponse a` l’activite´ des autres re´seaux radios
et demandes d’utilisateur. L’objectif ultime de la CR est de permettre a` l’utilisateur secondaire
(SU) d’utiliser la ressource de spectre disponible sans interfe´rer sur l’utilisateur primaire (PU) en
utilisant des trous de spectre. Par conse´quent, la de´tection du PU est l’un des de´fis principaux
dans le de´veloppement de la CR. Par rapport aux syste`mes conventionnels de communication sans
fil, le syste`me CR introduit de nouveaux proble`mes d’allocation de ressource (RA) en raison de
l’interfe´rence des canaux adjacents utilise´s par le SU et le PU. Dans le contexte de la CR, la plu-
part des efforts ont e´te´ mene´s sur les syste`mes de CR base´s sur le multiplexage par division de
fre´quences orthogonales (OFDM). Toutefois, la technique de l’OFDM montre quelques points faibles
dans l’application a` cause des remonte´es significatives du spectre. Les modulations multiporteuses
a` base de bancs de filtre (FBMC) ont e´te´ re´cemment propose´es pour des applications de CR. Dans
cette the`se, trois points importants pour le de´veloppement d’un syste`me de CR base´ sur le FBMC
sont discute´s.
Les trois points principaux peuvent eˆtre re´sume´s ainsi: nous examinons premie`rement les proble`mes
de de´tection de spectre des signaux OFDM et FBMC en employant le de´tecteur de signature de cy-
clostationnarite´ (CS). En outre, nous proposons une architecture de de´tection multi-bande base´e sur
le banc de filtre polyphase´ (PFB), et montrons son avantage; deuxie`mement, la comparaison entre
l’OFDM et le FBMC du point de vue de l’efficacite´ spectrale est discute´e; et enfin, nous proposons
un algorithme strate´gique d’allocation de ressource pour les syste`mes cognitifs multi-cellulaires et
multi-utilisateurs.
Les algorithmes propose´s dans cette the`se ont e´te´ teste´s par simulation. Les re´sultats nume´riques
prouvent que le FBMC, par opposition a` l’OFDM, pourrait re´aliser une efficacite´ spectrale plus e´leve´e
et offre un avantage attrayant dans la de´tection de spectre. Les contributions de cette the`se ont accru
l’inte´reˆt d’appliquer FBMC dans les syste`mes de CR a` l’avenir.
Mots-cle´s: radio cognitive; FBMC; OFDM; de´tection de spectre; comparaison de l’efficacite´
spectrale; allocation de ressource;
tel-00628956, version 1 - 4 Oct 2011Re´sume´ des travaux de the`se
Motivation
La demande pour des nouveaux services et applications sans fil, ainsi que le nombre d’utilisateurs,
sont en constante augmentation. Cependant, cette croissance est finalement limite´ par la quantite´ et
la largeur des bandes de fre´uences disponibles dans le spectre radiofre´uence. Des mesures re´centes
effectue´s par plusieurs agences indiquent que les ressources du spectre sous licence ne sont pas pleine-
ment exploite´s en fonction de l’heure et de l’emplacement ge´graphique. Ces observations sugge`rent
que l’attribution fixe du spectre donne lieu a` la pe´nurie spectrale, ce qui motive l’introduction des
techniques d’acce`s dynamique au spectre (DSA). La radio cognitive (CR), invente´ par Mitola, a e´te´
re´cemment propose´ comme une solution prometteuse pour ame´liorer l’utilisation du spectre par DSA.
L’objectif de la CR est d’ame´liorer l’efficacite´ spectrale par la superposition d’un syste`me de radio
mobile secondaire sur un syste`me primaire sans ne´cessiter aucune modification du syste`me sous li-
cence. Au moment d’e´crire cette the`se, il n’y a toujours pas d’approches communes sur la fac¸on de
de´finir et de mettre en œuvre les syste`mes utilisant la CR. Bien que beaucoup d’efforts soient con-
sacre` a` l’e´tude de faisabilite´ de la CR, des me´thodes plus efficaces et fiables doivent eˆtre de´veloppe´s
en raison des ressources limite´s du spectre.
Ainsi les syste`mes de la future CR devraient fournir une capacite´ plus e´leve´ que les syste`mes
sous licence par une utilisation efficace des ressources disponibles. les modulations multi-porteuses
(MCM) ont attire´s beaucoup d’attention dans la communaute´ des communication, par opposition
a` la modulation simple porteuse en raison de la capacite´ a` faire face efficacement aux canaux a`
e´vanouissements se´lectifs en fre´uence et de la flexibilite´ pour allouer les ressources de chaque sous-
canal sur un base individuelle. Le multiplexage par division de fre´uences orthogonales (OFDM)
a e´te´ e´tudie´ de manie`re intensive ces dernie`res anne´s. Une grande partie de l’attention dans la
litte´ature actuelle met l’accent sur l’ut