Network Coding for Cognitive Radio Networks

Cognitive Radio Networks are a promising technology likely to be deployed in the very near future as a viable solution to the spectrum shortage problems faced by traditional wireless systems. Technological breakthroughs in the field of Software Defined Radios enabled the development of flexible cognitive radio transceivers capable of dynamically changing their transmission parameters in order to efficiently exploit the available wireless resources. This increased capability of cognitive radios to self adapt based on interactions with the surrounding environment makes them the perfect candidates for opportunistic spectrum access in those bands that are assigned to primary users. While these primary users are allowed to access their licensed spectrum resources anytime and anywhere, within the contractual limits imposed by spectrum management authorities, cognitive radios have to scan and identify any unused spectrum in the licensed bands. Most importantly, in order not to interfere with primary users, they have to rapidly vacate the licensed spectrum as soon as the primary user begins to use its legitimate spectrum resources. The coexistence of cognitive radios with such primary users is very challenging. When considering the natural evolution of cognitive radio networks to more complex systems, the challenges and problems to be faced increase substantially. More specifically, the inherent capability of cognitive radios to base their decisions on their view of the wireless spectrum makes their operation susceptible to a variety of malicious attacks. Hence, in such a challenging environment, mechanisms such as cooperation, learning, and negotiation help cognitive radios make the necessary decisions to ensure reliable communications in a non-interfering manner. We hereby investigate a novel architectural solution for Cognitive Radio Networks that uses network coding for fast control information exchange among cognitive radios, enabling them to maintain coherent and reliable information regarding the status of the wireless environment. This control information is used by cognitive radios to perform cooperative detection of primary users and efficient reuse of the available spectrum resources while guaranteeing robust communication and a prompt reaction to wireless environmental changes.

Le Reti Radio Cognitive sono una tecnologia promettente che potrà essere utilizzata in un futuro molto prossimo, come soluzione possibile al problema di spettro limitato riscontrato nelle reti wireless tradizionali. Le recenti innovazioni tecnologiche su Software Defined Radio hanno permesso lo sviluppo di ricetrasmettitori radio sufficientemente flessibili, in grado di modificare dinamicamente i loro parametri di trasmissione, al fine di sfruttare in modo efficiente le risorse radio disponibili. Questa maggiore capacita di auto-adattarsi in risposta alle interazioni con l'ambiente circostante rende le radio cognitive i candidati ideali per l'accesso opportunistico nelle bande dello spettro radio utilizzate dagli utenti primari. Poiché gli utenti primari hanno diritto ad accedere alle proprie risorse dello spettro in qualsiasi momento e luogo, entro i limiti contrattuali imposti dalle autorità di gestione dello spettro radio, le radio cognitive devono effettuare la scansione e identificare le porzioni dello spettro non utilizzate dagli utenti primari. Inoltre, al fine di non interferire con tali utenti, esse devono liberare rapidamente lo spettro radio, ogniqualvolta l'utente primario inizi ad utilizzare la propria banda di frequenze. La coesistenza tra radio cognitive e utenti primari e' un obiettivo molto ambizioso. Inoltre, quando si considera la normale evoluzione delle reti radio cognitive a sistemi più complessi, le sfide e i problemi da affrontare aumentano notevolmente. In particolare, la capacita intrinseca delle radio cognitive di basare le proprie decisioni sulla propria visione locale dello spettro radio rende il loro funzionamento sensibile a molte tipologie di attacco. Quindi, in tale ambiente, meccanismi come la cooperazione, l'apprendimento e la negoziazione sono di aiuto alle radio cognitive nel prendere le decisioni necessarie a garantire le proprie comunicazioni senza interferire con quelle degli utenti primari. In questa tesi si presenta un'architettura innovativa per le Reti Radio Cognitive che utilizza la tecnica di network coding per lo scambio di informazioni di controllo tra i nodi, riguardo lo stato dell'ambiente radio, in modo rapido, coerente e affidabile. Questa informazione viene successivamente utilizzata dalle radio cognitive per eseguire il rilevamento cooperativo degli utenti primari e il riutilizzo efficiente dello spettro a disposizione, garantendo una comunicazione robusta e una reazione tempestiva ai cambiamenti dello stato delle risorse radio.