Cognitive radio on a reconfigurable platform
Qiwei Zhang · 2009
Due to the explosive growth of wireless communication, the demands for radio spectrum are rapidly increasing.It is very difficult to accommodate new wireless services under the current spectrum allocation scheme.On the other hand, the allocated spectrum is not efficiently utilized.Cognitive Radio is proposed as a technology to solve the imbalance between spectrum scarcity and spectrum under-utilization.Spectrum utilization can be improved by making it possible for a user who does not have the license for spectrum (secondary user) to access the spectrum which is not occupied by the licensed user (primary user).This secondary user has the awareness of the spectrum and adapts its transmission accordingly on a non-interference basis.This spectrum access and awareness scheme is referred to as Cognitive Radio.The idea is also known as Dynamic Spectrum Access (DSA) or Open Spectrum Access (OSA).Cognitive Radio is seen as the final point of software defined radio (SDR) platform evolution.A fully flexible and efficient software defined radio platform will be the enabling technology for Cognitive Radio.Cognitive Radio imposes a number of requirements on the processing platform such as flexibility, energy efficiency and guaranteed throughput/latency.The trend in the implementation of SDR is moving towards Multiprocessor System-on-Chip (MPSoC) platforms.The work of this PhD thesis is part of the Ad-hoc Adaptive Freeband (AAF) project.The aim of the AAF project is to design a Cognitive Radio based wireless ad-hoc network for emergency situations.Although the AAF project addresses Cognitive Radio in a holistic fashion from physical layer to networking issues, the work of this thesis mainly focuses on the design of the adaptive physical layer (baseband processing).The physical layer considered in this thesis mainly consists of two parts: transmission and spectrum sensing.A reconfigurable MPSoC platform is used to support the adaptive baseband processing of Cognitive Radio.A coarse-grain reconfigurable processor called the Montium, developed at the University of Twente, is considered in this thesis as a key element of the proposed MPSoC platform.v SamenvattingVanwege de explosieve toename van draadloze communicatie neemt de vraag naar radio spectrum toe.Het is bijzonder moeilijk om nieuwe draadloze diensten een plek te geven in de huidige frequentieruimte.Echter, toegewezen spectrum wordt niet op een efficiënte manier benut.Cognitieve Radio wordt beschouwd als een technologie waarmee de onbalans tussen spectrumschaarste en slechte benutting van spectrum kan worden opgeheven.Spectrumgebruik kan worden verbeterd door een gebruiker die geen licentie heeft voor het gebruik van een stuk spectrum (een secundaire gebruiker), toestemming te geven spectrum te benutten dat niet bezet is door de gebruiker die in het bezit is van de licentie (primaire gebruiker).De secundaire gebruiker kent het spectrum en zendt alleen als geen storing wordt veroorzaakt.Het gebruikmaken en bewust zijn van het spectrum wordt aangeduid als 'Cognitieve Radio'.Andere termen die gebruikt worden zijn 'Dynamic Spectrum Access' (DSA) of 'Open Spectrum Access' (OSA).Cognitieve Radio wordt beschouwd als eindstation van de 'Software Defined Radio' (SDR) evolutie.Een volledig flexibel en efficiënt softwaregestuurd radio platform maakt Cognitieve Radio mogelijk.De eisen die Cognitieve Radio aan het platform stelt hebben betrekking op flexibiliteit, energieverbruik en gegarandeerde doorvoersnelheid/vertraging.De trend bij de implementatie van SDR verschuift richting 'Multiprocessor System-on-Chip' (MPSoC) platformen.Het werk in dit proefschrift vormt een onderdeel van het Ad-hoc Adaptive Freeband (AAF) project.Het doel van het AAF project is om een draadloos ad-hoc netwerk te ontwerpen, gebaseerd op Cognitieve Radio en te gebruiken bij calamiteiten.Hoewel het AAF project Cognitieve Radio benadert door middel van een holistische aanpak, zich uitstrekkend van de fysieke laag tot netwerkaspecten, richt het werk beschreven in dit proefschrift zich voornamelijk op het ontwerp van de adaptieve fysieke laag (basisband bewerkingen).De fysieke laag zoals behandeld in dit proefschrift bestaat uit twee delen: transmissie en 'spectrum sensing'.Om de adaptieve basisbandberekeningen van Cognitieve Radio te ondersteunen worden MPSoC platforix men gebruikt.Aan de Universiteit Twente is een grofkorrelig reconfigureerbare processor, Montium genaamd, ontwikkeld en deze wordt beschouwd als een onmisbaar element van het voorgestelde MPSoC platform.De Montium is gericht op het domein van de 16-bit digitale signaalverwerkingsalgoritmen, ook wel 'DSP' genaamd.Het biedt een combinatie van flexibiliteit en energie-efficiëntie.Hoewel MPSoC's grote voordelen bieden stelt het afbeelden van toepassingen op MPSoC's, in het bijzonder een uitermate dynamische toepassing als Cognitieve Radio, ons voor grote uitdagingen.Er bestaat een kloof tussen de beschrijvingsmodellen, gebruikt om zulke toepassingen te specificeren, en een geoptimaliseerde implementatie van de toepassing op een MPSoC.Om de kloof te overbruggen stellen we een 'task transaction level' (TTL) benadering voor, zowel te gebruiken voor de ontwikkeling van de Cognitieve Radio toepassing op systeemniveau alsook te dienen als platform interface tussen de toepassing en het voorgestelde MPSoC platform.De TTL benadering zal in dit proefschrift toegepast worden als ontwerpmethodologie op systeemniveau en de voordelen zullen worden belicht door het afbeelden van de adaptieve fysieke laag algoritmen voor Cognitieve Radio op het MP-SoC platform.Het TTL model maakt het mogelijk het functionele gedrag van het systeem te verifiëren en verschaft kengetallen die gebruikt kunnen worden voor een complexiteitsanalyse.Welk transmissiemechanisme te gebruiken voor de fysieke laag vormt een eerste ontwerpkeuze voor Cognitieve Radio.Het moet voldoende beweeglijkheid bieden om een secundaire gebruiker, zonder storing te veroorzaken, toegang te bieden tot een band waarvoor een licentie is afgegeven en het moet op een optimale manier gebruik maken van beschikbaar spectrum.Verder moet het voorzien in hoge datasnelheden, vergelijkbaar met andere moderne draadloze communicatiesystemen. OFDM wordt beschouwd als belangrijkste optie voor Cognitieve Radio.In de context van Cognitieve Radio kunnen draaggolven, gebruikt binnen een OFDM systeem, worden uitgeschakeld om storing voor de primaire gebruiker te voorkomen.Dit idee staat bekend als 'spectrum pooling'.In een dergelijk OFDM systeem voor Cognitieve Radio kunnen verschillende draaggolven op verschillende manieren gemoduleerd worden.Deze techniek, bekend als 'adaptive bit loading', maakt het voor Cognitieve Radio mogelijk om op een zo optimaal mogelijke manier gebruik te maken van een gesegmenteerd spectrum.Gebaseerd op de standaard OFDM parameters van het AAF systeem presenteren we een adaptief systeem dat spectrum pooling combineert met adaptive bit loading.De kengetallen die zijn gegenereerd door middel van het TTL model geven aan dat de 'Fast Fourier Transform' (FFT) en de 'Inverse Fast Fourier x