Interference management in wireless networks: MAC Protocols for MIMO Ad Hoc Networks and Cooperative Routing in Cognitive Radio Networks

MIMO ad hoc networks and cognitive radio networks have enjoyed great interest in recent years. The performance gains of these frameworks depend on the ability to control the transmissions in the wireless channel. In particular, MIMO ad hoc networks exploit multiuser communications to favor simultaneous transmissions and cognitive radio networks regulate the access of unlicensed users to the licensed network in order to improve the available bandwidth utilization. In both cases, the main limiting factor is represented by the interference that could cause a performance degradation if not properly managed. In this work, we adopt a broad approach for the study of interference and propose new analytical approaches that make it possible to quantify and solve the adverse effects of interference in both MIMO ad hoc and cognitive radio networks. The first scenario that we consider deals with ad hoc networks with multiple antennas and multiuser communications. We take into account a cross-layer networking protocol which integrates medium access control and physical layer with the objective to obtain a tradeoff between throughput and interference rejection. At the receiver side, the presence of several simultaneous signals is managed by using a Vertical-Bell Laboratories Layered Space-Time (V-BLAST) receiving scheme that decouples the superimposed signal to extract data through a successive interference cancellations process, which is potentially prone to interference, especially when the quality of the channel estimation is poor. In multiuser scenarios, these problems may lead to substantial loss of data. In this light, we propose an analytical technique that evaluates the statistics of the channel estimation errors and develop an analysis for both correlator-based and Minimum Mean-Square Error channel estimators, showing that there is a direct dependence of the channel estimation error on the instantaneous channel matrix, which also includes interfering transmitters. This is done to obtain precise expressions that can be used in analytical studies as well as realistic simulation experiments. In this light, we include the effect of channel estimation errors in an ad hoc networking protocol simulator and thoroughly evaluate their impact. A different point of view is required to handle cooperative routing techniques in cognitive radio networks, the second type of wireless network considered in this Thesis. Here, the problem of scarce radio spectrum availability and the inefficiency of traditional fixed spectrum management schemes call for new communications paradigms for spectrum sharing. Specifically, the presence of unlicensed (or secondary) users that transmit in the portion of spectrum licensed to primary users generates interference, avoidable only if secondary users adopt some sensing technique before they decide to transmit. A new paradigm, named spectrum leasing, allows licensed users to lease portions of the spectrum to unlicensed users, avoiding both interference and the need for spectrum sensing. Specifically, the secondary nodes may cooperate with the primary users serving as extra relays, but only in exchange for spectrum leasing. Namely, in return for their forwarding of primary packets, secondary nodes are awarded spectral resources by primary users for transmission of their own traffic. Thus, secondary nodes enforce minimal quality of service requirements in terms of rate and reliability when deciding whether to cooperate. Results demonstrate the advantages of the proposed spectrum leasing solution based on opportunistic routing and highlights the available trade-offs between primary throughput and energy consumption.

Negli ultimi anni le tematiche riguardanti le reti MIMO di tipo "ad hoc" e le reti di tipo "cognitive" hanno riscosso grande interesse. Le prestazioni che i suddetti paradigmi comunicativi riescono ad ottenere dipendono, essenzialmente, dalla capacità dei medesimi di controllare le trasmissioni sul canale wireless. La peculiarità di ciascuno dei due sistemi consiste, nelle reti MIMO ad hoc, nel favorire le trasmissioni simultanee sfruttando le comunicazioni multi-utente; nelle reti cognitive, nel permettere l'accesso al canale wireless anche agli utenti privi di licenza, regolandone il comportamento in modo da migliorare l'utilizzo delle risorse radio. In entrambi i casi, tuttavia, l'interferenza può rappresentare, se non adeguatamente gestita, il principale fattore limitante delle prestazioni. Per tale ragione, nel presente elaborato, viene adottato un approccio di ampio respiro per lo studio dell'interferenza e vengono proposti nuovi metodi analitici che ci permettono di quantificare e risolvere gli effetti negativi generati dall'interferenza nelle reti MIMO ad hoc e nelle reti cognitive. Il primo scenario considerato in questa Tesi sono le reti ad hoc con antenne multiple e comunicazioni multi-utente. Si prende, altresì, in considerazione l'utilizzo di un protocollo di tipo cross-layer in grado di integrare il controllo di accesso al mezzo e lo strato fisico, al fine di ottenere un buon compromesso tra velocità di trasmissione e controllo dell'interferenza. Questo viene portato a termine grazie all'utilizzo a lato ricevente di un particolare decodificatore (Vertical-Bell Laboratories Layered Space-Time, V-BLAST), il quale riesce a gestire le comunicazioni multi-utente disaccoppiando dal segnale in ricezione i dati dei vari utenti attraverso un processo di cancellazioni successive. Tale tecnica è molto promettente, ma è potenzialmente incline all'interferenza, soprattutto quando la qualità della stima di canale è scadente. Le sopra descritte problematiche, presenti anche nei scenari multi-utente, possono causare la perdita di molti dati. Ciò detto, nel presente lavoro viene proposta una nuova tecnica tesa a valutare analiticamente le statistiche degli errori di stima di canale per due tipi di stimatori (stimatore a correlazione e MMSE) ed a dimostrare la sussistenza di una dipendenza diretta dell'errore di stima di canale sulla matrice di canale istantanea, la quale, inoltre, include pure l'interferenza causata dalle trasmissioni simultanee. Si sono così ottenute delle espressioni matematiche che hanno permesso di effettuare sia precisi studi analitici sia esperimenti realistici, effettuati questi ultimi su uno simulatore di rete, inserendo l'effetto degli errori di stima di canale. Per riuscire a gestire le tecniche di instradamento cooperative nelle reti radio cognitive, il secondo tipo di rete wireless considerato in questa Tesi, è necessario un approccio diverso rispetto al caso precedente. Qui, infatti, le principali problematiche, relative alla scarsa disponibilità di spettro radio e all'inefficienza dei classici sistemi statici di gestione dello spettro, sono state affrontate proponendo paradigmi innovativi di comunicazione per la condivisione dello spettro radio. In particolare, la presenza di utenti senza licenza (o utenti secondari), che trasmettono nella porzione dello spettro adibita esclusivamente a utenti primari, genera interferenza, evitabile solo se gli utenti secondari adottano particolari tecniche di rilevamento (da utilizzare prima di decidere se trasmettere o meno). Un nuovo paradigma, denominato "spectrum leasing", permette agli utenti autorizzati di allocare delle porzioni dello spettro di appartenenza agli utenti secondari, evitando così sia l'interferenza sia il bisogno di tecniche di rilevamento di altre trasmissioni. Dall'altro canto, i nodi secondari collaborano con gli utenti primari, proponendosi come ulteriori relay, solamente in cambio di una porzione dello spettro, ovvero in cambio della trasmissione di pacchetti primari, i nodi secondari richiedono agli utenti primari una porzione della risorsa spettrale per poter trasmettere il proprio traffico. Tale porzione viene calcolata in base ai propri requisiti di qualità di servizio, che devono essere rispettati. L'analisi del sopra descritto nuovo paradigma comunicativo, eseguita in questa tesi, ne evidenzia i vantaggi rispetto ad un approccio classico, mettendo, inoltre, luce sul compromesso tra velocità di trasmissione e consumo di energia primaria.