Dodjeljivanje frekvencija u spoznajnom radiju uporabom metode sekvencijalnoga bojanja grafova

doctoral thesis

• Title (english): Frequency assigniment in cognitive radio using swquential graph coloring method
• Author: Željko Tabaković; MBZ: 234985
• Mentor: Mislav Grgić (mentor)
• Committee member: Mislav Grgić (član povjerenstva)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Electrical Engineering and Computing; (Department of Communication and Space Technologies); Zagreb
• Defense date and country: 2016, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: TECHNICAL SCIENCES; Electrical Engineering; Radio Communications
• Universal decimal classification (UDC): 621.3 - Electrical engineering

Abstract

Učinkovito upravljanje radiofrekvencijskim spektrom kao ograničenim prirodnim resursom ima važnu ulogu u razvoju radijskih komunikacija. Spoznajni radio predstavlja jednu od tehnologija predloženih radi povećavanja učinkovitosti uporabe frekvencija. Dodjeljivanje frekvencija jedan je od ključnih koraka učinkovitog upravljanja radiofrekvencijskim spektrom i osnovni element uspjeha koncepta spoznajnog radija. U disertaciji predložen je cjeloviti koncept upravljanja frekvencijama u spoznajnom radiju uporabom računalnih resursa u oblaku. Spoznajni radio rasčlanjen je na funkcije i procese koje se virtualiziraju i razdvajaju od radijskog terminala odnosno osnove radijske postaje te ostvaruju pomoću distribuiranih specijaliziranih modula u oblaku. Nadalje, predložena su unaprjeđenja grafa smetnji uvođenjem dodatnih elemenata, mjera zasićenosti radijske veze iskorištenim frekvencijama i novi algoritmi za dodjeljivanje frekvencija u spoznajnom radiju. Frekvencije se dodjeljuju primjenom poboljšane metode sekvencijalnog bojanja grafova s ciljem smanjenja međusobnih smetnji i povećanja podatkovne propusnosti sekundarne spoznajne radijske mreže. Djelotvornost predloženih algoritama ocjenjena je usporedbom s algoritmima iz literature pomoću računalne simulacije radijskih mreža. Upravljanje frekvencijama uporabom računalnih resursa u oblaku predstavlja cjelovito, fleksibilno, distribuirano i modularno rješenje za složeni problem upravljanja ograničenim frekvencijskim resursima pri čemu je arhitektura spoznajnog radijskog terminala značajno pojednostavljena uz zadržavanje svih funkcija. Predloženi koncept upravljanja frekvencijama omogućava postupni prijelaz od statičkog i administrativnog upravljanja frekvencijama prema automatiziranom upravljanju frekvencijama i samostalnom sustavu gospodarenja frekvencijama koji je pogodan za moderne sustave radijskih komunikacija. Uvođenje osjetljivosti na smetnje u predloženim algoritmima dodjeljivanja frekvencija s modeliranjem istokanalne smetnje i smetnje na susjednom kanalu, te uvođenje težina bridova i kategorizacije smetnji značajno doprinosi učinkovitosti uporabe radiofrekvencijskog spektra kod spoznajnih korisnika. Spoznajne radijske mreže koje upotrebljavaju predložena proširenja grafa smetnji i algoritme dodjeljivanja frekvencija u spoznajnom radiju imaju značajno manje razine smetnji prema drugim korisnicima, upotrebljavaju manje frekvencija i mogu spojiti veći broj spoznajnih korisnika, ostvaruju veću podatkovnu propusnost i ravnopravnost raspodjele kapaciteta te su kvalitativno i kvantitativno bolji po svim mrežnim metrikama od referentnih algoritama.

Abstract (english)

facilitating the future development of radiocommunications. Cognitive radio is one of the new technologies proposed in order to increase the efficient utilization of frequencies. Frequency assignment is one of the key steps of effective management of the radiofrequency spectrum and the basic element for the success of the concept of the cognitive radio. The doctoral thesis proposed an integrated model of frequency management in cognitive radio networks based on the computing resources in the cloud. Furthermore, new elements in the interference graph are introduced, new saturation metric for a dynamic sorting of the vertices is proposed and new algorithms for cognitive radio frequency assignment are elaborated. Frequencies are assigned to the cognitive radio with the application of the improved method of sequential graph coloring with the objective of minimizing the total network interference and maximizing the network throughput. The effectiveness of the proposed algorithm is evaluated by comparison with the algorithms from the literature by means of computer simulations of radio networks. Cognitive radio spectrum management using computing resources in the cloud represents a complete, flexible, distributed and modular solution for the complex problem of managing the limited frequency resources, where the architecture of cognitive radio terminal is significantly simplified while maintaining full functionality. The proposed concept of the cognitive radio spectrum management allows a gradual transition from the static and administrative management of the spectrum resources towards an automated and self-sufficient spectrum management suitable for modern radiocommunication systems. The introduction of sensitivity to mutual interference in the proposed frequency assignment algorithms by modeling the co-channel and adjacent channel interference, the introduction of continuous edge weights and interference categorization significantly contributes to the effectiveness of the cognitive radio frequency use. Cognitive radio networks that use the proposed extensions to the interference graph and new algorithms for assigning frequencies in cognitive radio have significantly lower levels of interference to other users, use fewer frequencies in total, can connect a larger number of cognitive users, achieve greater data throughput, accomplish greater fairness and are qualitatively and quantitatively better than reference algorithms comparing all analysed network metrics.

• Keywords: spoznajni radio; dodjeljivanje frekvencija; bojanja grafova; upravljanje radiofrekvencijskim spektrom; računalni resursi u oblaku
• Keywords (english): cognitive radio; frequency assignment; graph coloring; spectrum management; cloud computing
• Language: croatian
• URN:NBN: urn:nbn:hr:168:025592
• Study programme: Title: Electrical Engineering and Computing; Study programme type: university; Study level: postgraduate; Academic / professional title: Doktor znanosti elektrotehnike i računarstva (Doktor znanosti elektrotehnike i računarstva)
• Type of resource: Text
• Extent: 200 str. ; 30 cm.
• File origin: Born digital
• Access conditions: Closed access
• Created on: 2019-04-11 12:41:52