Spatio-Temporal Spectrum Reuse based on Channel Gain Cartography

Durante l'ultimo decennio, la proliferazione di nuove tecnologie wireless, unitamente all'apparente scarsita' di risorse spettrali disponibili, ha motivato una considerevole attivita' di ricerca rivolta a tecniche di gestione dinamica dello spettro. Sebbene una allocazione statica dello spettro abbia colpevolmente indotto alla percezione di un preoccupante sovraffollamento delle bande disponibili, un sostanziale sottoutilizzo di tali frequenze e' stato rilevato durante campagne di misurazione dell'occupazione effettiva di bande di frequenza ad uso esclusivo. Un riutilizzo dinamico di tali frequenze potrebbe essere un passo in avanti fondamentale per risolvere l'attuale sistematica inefficienza nella gestione dello spettro e, quindi, rispondere alla continua richiesta di risorse spettrali per nuovi sistemi wireless. In questo contesto si posiziona in maniera prominente il modello ad accesso gerarchico, modello che prevede utenti secondari (chiamati anche cognitive radio) che accedono alle bande di frequenza allocate agli utenti licenziatari (chiamati comunemente utenti primari) in maniera dinamica e non intrusiva. Immaginati come entita' autonome con capacita' decisionali e di apprendimento dell'ambiente di propagazione, gli utenti secondari sono in grado di riutilizzare porzioni dello spettro in maniera opportunistica, rispettando la gerarchia tra sistemi licenziatari e sistemi secondari. Operazioni necessarie per tale accesso opportunistico sono il sensing dello spettro e l'allocazione dinamica delle risorse radio disponibili. Il conseguente bisogno di una continua cognizione situazionale da parte degli utenti secondari richiede soluzioni algoritmiche innovative per monitorare l'attivita' degli utenti primari in maniera affidabile, utilizzare efficientemente le porzioni di spettro quando libere, e acquisizione di un'accurata caratterizzazione dell'ambiente di propagazione. Infatti, data la mancanza di una cooperazione esplicita tra sistemi primario e secondario, il continuo apprendimento delle caratteristiche dell'ambiente di propagazione e' di fondamentale importanza per l'adattamento dei parametri di sistema e la protezione obbligatoria del sistema primario. Per compiere in maniera affidabile sensing e allocazione dinamica delle risorse disponibili e' richiesto un significativo scostamento dalla visione uni-dimensionale dell'ambiente di propagazione, la quale si basa sulle tecniche classiche di stima di canale e acquisizione dei livelli di interferenza via feedback su collegamenti punto-punto. In questa direzione, la presente tesi introduce il concetto di cartografia del guadagno di canale, una tecnica innovativa con origini dalla geostatistica che permette l'acquisizione di una descrizione completa dell'ambiente di propagazione percepito in punti arbitrari di una regione geografica. La caratteristica principale di tale tecnica consiste nella capacita' di stimare il guadagno di canale tra coppie arbitrarie trasmettitore-ricevitore, partendo da delle misurazioni effettuate sui soli link tra cognitive radio cooperanti. Con un'accurata descrizione dell'ambiente di propagazione a portata di mano, nella tesi viene introdotto un algoritmo per la stima della potenza trasmissiva degli utenti licenziatari attivi e la loro localizzazione. L'algoritmo e' basato su un modello di sistema parsimonioso che tiene in considerazione la sparsita' nel dominio spaziale di utenti primari attivi, sparsita' che e' strettamente legata a fenomeni ben noti di interferenza mutua. La stima della potenza trasmissiva degli utenti primari, della loro posizione geografica e, infine, del loro atlante del guadagno di canale, permettono la ricostruzione dell'area di copertura del sistema primario e, conseguentemente, la rivelazione delle aree geografiche in cui le frequenze primarie sono inutilizzate. In questo caso, l'atlante del guadagno di canale permette si superare la classica semplificazione circolare e tempo invariante dell'area di copertura. Data la mancanza di una cooperazione esplicita tra i due sistemi, la stima dei canali di comunicazione tra utenti primari e secondari non puo' essere effettuata; inoltre, gli algoritmi di sensing classici possono rivelare la presenza di trasmettitori primari ma non dei ricevitori primari, i quali devono essere obbligatoriamente protetti. Per superare tali ostacoli, e garantire la protezione degli utenti primari da interferenza causata dai trasmettitori secondari, l'approccio seguito nella tesi prevede l'utilizzo della stima dell'area di copertura e della descrizione statistica dei canali tra utenti primari e secondari, in modo tale da garantire che la probabilita' di interferenza sia tenuta sotto una certa soglia in tutte le posizioni geografiche in cui ricevitori primari possono risiedere. Anche se il problema di massimizzazione della funzione di utilita' della rete secondaria, sotto vincoli probabilistici che limitano l'interferenza causata al sistema primario, risulta essere non convesso, l'algoritmo proposto nella tesi dimostra una sicura convergenza a un punto di minimo (almeno) locale. Inoltre, in un contesto come quello ad accesso gerarchico, anche i canali tra gli utenti secondari possono non essere stimati correttamente. Un nuovo approccio comprendente vincoli probabilistici sia sull'interferenza arrecata al sistema primario che sugli eventi di outage sui collegamenti tra utenti secondari e' quindi proposto. Tutti i risultati ricavati nella tesi sono corroborati via simulazioni numeriche.