Multistage Spectrum Sensing for Cognitive Radios UCLA CORES

Slide1Multistage SpectrumSensing for Cognitive Radios UCLA CORES

Slide2Outline1. Introduction 2. Problem Statement 3. Proposal 4. Markov Chain Model 5. Results 2

Slide3Spectral VacancyFrequency PSD Spectral Vacancy Introduction to Spectrum Sensing  The Frequency Spectrum is mostly allocated  Spectral vacancies exist in: 1. Unallocated frequency bands. 2. Allocated bands where the Primary Users (PUs) are spatially absent or temporarily idle.  Cognitive radios (CRs) find spectral vacancies by performing spectrum sensing.  Spectrum Sensing Design Objectives 1. Maximize the CR throughput 2. Minimize delay in vacating channel for an incoming PU 3. Minimize collisions between CRs and PUs 3 Spectral Vacancy

Slide4Cognitive RadioCommunication Radio PHY RF Sensing Radio OSI Model of Cognitive Radios 4 Channel Collaborative Sensing Application Bandwidth MAC PHY RF PHY RF MAC Sensing Method Design Parameters: 1. Sensing Algorithm 2. Sensing Time Design Parameters: 1. Narrowband 2. Wideband . . . PU Traffic

Slide5Conventional Single Stage Sensing i. No PU ii. PU arrives Problem Statement 5 CR Active Sensing CR Active Sensing CR Active Sensing Time CR Active Sensing No FA False Alarm (FA) -Throughput Waste- CR Stops Transmission CR Active Sensing MD -Collision with PU- -Delay in detecting PU- No Misdetection (MD) CR Stops Transmission PU 0 T 2T 3T S S S

Slide6Multistage Sensing6 i. No  PU ii. PU  arrives  Degrees  of  freedom: 1. Number  of  Sensing  Stages  (S) 2. Sensing  Methods 3. Sensing  Times CR Active Sensing Stage 1 No FA FA CR Stops Transmission No FA CR Active Sensing Stage 2 CR Active Sensing Stage S No FA FA FA PU S 1 S 2 S S CR Active Sensing Stage 1 MD No MD CR Stops Transmission MD CR Active Sensing Stage 2 CR Active Sensing Stage S MD No MD No MD S 1 S 2 S S

Slide7Previous Work 802.22  features  2-stage  sensing:  Coarse  and  Fine  sensing.  Jeon  et  al*  propose  a  multistage  sensing  algorithm *  W.  S.  Jeon,  D.  G.  Jeong,  J.  A.  Han,  G.  Ko,  and  M.  S.  Song,  "An  efficient  quiet  period  management scheme  for  cognitive  radio  systems,"  IEEE  Trans.  Wireless  Comm. ,  vol.  7,  no.  2,  Feb.  2008.  Limited model; single channel, single sensing algorithm, no collaboration, simple traffic model.  Literature lacks a unified analytical framework that includes Multistage Sensing 7

Slide8Proposal We introduce a unified analytical framework that models:  Multistage Sensing  Number of sensing stages  Sensing Methods  Algorithm  Sensing Time  Bandwidth  Narrowband  Wideband  CR traffic models  CBR – VBR  Buffered – Unbuffered  Goal is to analyze the impact of varying parameters on: 1. CR throughput 2. Delay in vacating channel for a PU 3. CRs and PUs  collisions 8

Slide9Discrete Time Markov Chain Analysis is based on Markov Chain:  Well established Math tool for modeling discrete space stochastic processes  Future evolution of process depends solely on current state.  Provides closed form/numerical solutions for steady state probabilities and process variables 9

Slide10Assumptions1. PUs and CRs arrive and depart at discrete times that are multiples of T 2. CRs communicating together are synchronized through a control channel 3. Time taken to switch between communicating and sensing modes is negligible 10

Slide11Model Overview Model is divided into 3 levels: 1. CR traffic level 2. Multistage sensing level 3. Spectrum Sensing level 11

Slide12ImplementationLevel 1 – CR Traffic Level 12 CR Idle CR Sensing and/or Transmitting P CR 1 - P CR Q CR 1 - Q CR  P CR  ≡ Probability of arrival of a CR  Q CR  ≡ Probability of departure of a CR  P CR  and Q CR  are tuned to accommodate for different traffic models:  CBR – VBR  Buffered – Unbuffered  (Buffer Size)

Slide13ImplementationLevel 2 - Multistage Sensing Level 13 CR Sensing and/or Transmitting  S ≡ Number of Sensing Stages CR Sensing and/or Transmitting CR Idle P CR 1 - P CR Q CR 1 - Q CR CR Active Stage 1 CR Active Stage 2 CR Active Stage S CR  Quiet PU detected or False Alarm PU misdetected or no False Alarm PU detected or False Alarm CR Active Stage i Implementation Level 1 – CR Traffic Level

Slide14ImplementationLevel 3 – Spectrum Sensing Level 14 CR Active Stage 1 PU Absent CR Active Stage i PU Absent CR Active Stage i + 1 PU Absent CR Active Stage 1 PU Present CR Active Stage I PU Present CR Active Stage i + 1 PU Present (1-P PU ).P i (1-Q PU ).(1-Q i ) Q PU .P i P PU .(1-Q i ) (1-P PU ).(1-P i ) (1-Q PU ).Q i  P PU  ≡ Prob of arrival of a PU  Q PU  ≡ Prob of departure of a PU  P i  ≡ Prob of False Alarm at Stage i  Q i  ≡ Prob of Misdetection at Stage i  P PU  and Q PU  reflect the PU traffic model  P i  and Q i  are tuned to describe the sensing method CR Active Stage i CR Active Stage i CR Active Stage 1 CR Active Stage 2 CR Active Stage S CR  Quiet Implementation Level 2 - Multistage Sensing Level

Slide151.2. Implementation – Bandwidth Narrowband Sensing, N Channels CR  Idle Multistage Sensing CR  Quiet CR  Idle Multistage Sensing

Slide1616CR Idle Sens. /Tx Ch 1 MSS Ch 1 Quiet Ch 2 MSS Ch 2 Quiet Ch N MSS Ch N Quiet CR Idle Sens. /Tx Ch 1 MSS Ch 2 MSS Ch N MSS Implementation 1: Implementation 2: Time CR Quiet Frequency CR Active Sensing Stage 1 CR Active Sensing Stage 1 Example: Single stage, 3 channels: Time CR Quiet Frequency CR Active Sensing Stage 1 CR Active Sensing Stage 1 CR Active Sensing Stage 1 Example: Single stage, 3 channels: Implementation – Bandwidth Narrowband Sensing, N Channels

Slide17Throughput for the NarrowbandCase 17 Simulation Configuration

Slide18Delay in finding PU18 Simulation Configuration

Slide19Implementation – BandwidthWideband Sensing 19 IDLE Tx P P 1-P 1-P N Channels Time CR Active Sensing Stage 1 CR Active Sensing Stage 2 CR Active Sensing Stage 3 CR Active Sensing Stage 4 CR Active Sensing Stage 3 CR Active Sensing Stage 1 CR Idle CR Active Sensing Stage 1 CR Active Sensing Stage 1 CR Active Sensing Stage 1 CR Quiet CR Quiet Frequency Example: Single stage, 3 channels:

Slide20Throughput for the WidebandCase 20 Simulation Configuration

Slide21Appendix21

Slide22Simulation Configuration22  AWGN independent channels.  Sensing time =      , where i is the stage number, L 0  = 50 us, T s  = 20 ms, and  δ  = 2.  Sensing time for the last sensing stage = T s .  Energy Detection parameters:  P r  = -104 dBm.  Noise Floor = -163 dBm.  BW = 6 MHz  SNR = -8.8 dB.  Energy Threshold = -94.74 dBm.  # of Sensing Nodes = 5.  SU Arrival Probability = 0.2.  SU Departure Probability = 0.2.  PU Arrival Probability = 0.05.  PU Departure Probability = 0.05.  Switching time = 0.2xTs.  2 Channels  1000 stages.  10,000 cycles. Back