Coping with spectrum and energy scarcity in Wireless Networks: a Stochastic Optimization approach to Cognitive Radio and Energy Harvesting

Negli ultimi decenni, abbiamo assistito alla diffusione delle comunicazioni e reti wireless, suscitando un crescente interesse nella comunità scientifica. Tuttavia, la progettazione delle reti wireless è resa difficile dalla scarsità di risorse, in particolare, spettro ed energia. In questa tesi, si esplora il potenziale offerto da due nuove tecnologie nell’affrontare il problema della scarsità di spettro e di energia nelle future reti wireless: "Cognitive Radio" (CR) ed "Energy Harvesting" (EH). CR è un nuovo paradigma che consente di migliorare l’efficienza di utilizzo dello spettro nelle reti wireless, abilitando la coesistenza di un preesistente sistema titolare dello spettro, comunemente denominato Utente Primario, e un sistema opportunistico "intelligente", noto come Utente Secondario. In questa tesi, si sviluppa una tecnica per sfruttare, da parte di un utente secondario, la ridondanza temporale introdotta dal protocollo "Hybrid Automatic Retransmission reQuest" (HARQ) utilizzato da un Utente Primario, per eseguire tecniche di cancellazione di interferenza, consentendo così di migliorare il throuhgput secondario. Recentemente, EH è stato proposto per superare il problema della scarsità di energia nelle "Wireless Sensor Networks" (WSNs). I dispositivi con capacità di EH accumulano energia resa disponibile nell’ambiente circostante, come, per esempio, energia solare, eolica, termica o piezo-elettrica, per alimentare il dispositivo e per eseguire compiti di "data sensing", processamento e comunicazione. Dato che la disponibilità di energia è aleatoria e intermittente, il problema di come utilizzare al meglio l’energia disponibile è di grande interesse nella comunità scientifica. Nella seconda parte di questa tesi, si propongono politiche di controllo per dispositivi con capacità di EH, e si analizza l’impatto di vari fattori quali la capacità finita della batteria, la correlazione temporale nel processo di EH, la conoscenza imperfetta dello stato di carica della batteria e i fenomeni di degrado della batteria. Si studiano entrambi i paradigmi in un framework di ottimizzazione stocastica, e vengono proposte tecniche per far fronte alla scarsità di spettro ed energia sfruttando in modo opportunistico, rispettivamente, l’interferenza e l’energia ambientale. Si dimostrano i benefici delle tecniche proposte per mezzo sia di un’analisi teorica che per via numerica. Come argomento di ricerca aggiuntivo, nell’ultima parte di questa tesi, si studia il problema della stima di canale nei sistemi Ultra Wide-Band (UWB). Data la larga banda di trasmissione utilizzata in questi sistemi, il canale è stato tipicamente modellato come sparso. Tuttavia, alcuni fenomeni di propagazione come, per esempio, la dispersione dovuta a superfici scabrose e la distorsione in frequenza, sono modellabili in modo più accurato da un canale diffuso. Si propone un nuovo modello di canale denominato "Hybrid Sparse/Diffuse" (HSD) che cattura entrambe le componenti di canale, e si propongono stimatori di canale basati sul modello proposto.