Markus Engel

• In today’s computer networks we see an ongoing trend towards wireless communication technologies, such as Wireless LAN, Bluetooth, ZigBee and cellular networks. As the electromagnetic spectrum usable for wireless communication is finite and largely allocated for exclusive use by respective license holders, there are only few frequency bands left for general, i.e. unlicensed, use. Subsequently, it becomes apparent, that there will be an overload situation in the unlicensed bands, up to a point where no communication is possible anymore. On the other hand, it has been observed that licensed frequency bands often go unused, at least at some places or over time. Mitola combined both observations and found the term Cognitive Radio Networks [Mit00], denoting a solution for spectrum scarcity. In this concept, so called Secondary Users are allowed to also use licensed bands (attributed to a Primary User) as long as it is vacant. In such networks, all obligations reside with Secondary Users, especially, they must avoid any interference with the Primary User. They must therefore reliably sense the presence of Primary Users and must decide which available spectrum to use. These two functionalities are called Spectrum Sensing and Spectrum Mobility and describe 2 out of 4 core functionalities of Cognitive Radio Networks and are considered in this thesis. Regarding Spectrum Sensing, we present our own approach for energy detection in this thesis. Energy detection essentially works by comparing measured energy levels to a threshold. The inherent problem is on how to find such thresholds. Based on existing work we found in literature, we improve techniques and assert the effectiveness of our additions by conducting real world experiments. Regarding Spectrum Mobility, we concentrate on the point, where the Primary User shows up. At this point, nodes must not use the current channel anymore, i.e. they also have no possibility to agree on another channel to switch to. We solve this problem by employing channel switching, i.e. we change channels proactively, following a schedule shared by all nodes of the network. The main contribution of this thesis is on how to synthesize those schedules to guarantee robust operation under changing conditions. For integration, we considered three dimensions of robustness (of time, of space and of channel) and, based on our algorithms and findings, defined a network protocol, which addresses perturbation within those dimensions. In an evaluation, we showed that the protocol is actually able to maintain robust operation, even if there are large drops in channel quality.
• In heutigen Computernetzwerken ist ein Trend zu drahtlosen Technologien, wie beispielsweise Wireless LAN, Bluetooth, ZigBee und Mobilfunk, erkennbar. Da der Teil des elektromagnetischen Spektrums, welches für drahtlose Kommunikation nutzbar ist, endlich und zu großen Teilen für die exklusive Nutzung eines jeweiligen Lizenznehmers vergeben ist, verbleiben nur wenige Teile für allgemeinen, d.h. unlizenzierten, Gebrauch. Folglich ist abzusehen, dass es zu einer Überlast in unlizenzierten Bändern kommen wird, bis zu dem Punkt, an dem Kommunikation unmöglich ist. Andererseits wurde jedoch beobachtet, dass lizenzierte Frequenzbänder oft nicht verwendet werden, zumindest örtlich oder zeitlich. Mitola kombinierte beide Beobachtungen unter dem Namen "Cognitive Radio", welches eine mögliche Lösung zur Frequenzknappheit darstellt. In diesem Paradigma wird so genannten Sekundärnutzern der Zugriff auf lizenzierte Bänder gestattet, insofern diese nicht vom Primärnutzer, d.h. dem Lizenznehmer, verwendet werden. In solchen Netzwerken liegen alle Verpflichtungen beim Sekundärnutzer, insbesondere müssen sie jegliche Interferenz mit dem Primärnutzer vermeiden. Sie müssen hierzu die Anwesenheit des Primärnutzer zuverlässig erkennen ("Spectrum Sensing") und entscheiden, wie genau das verfügbare Spektrum genutzt werden kann ("Spectrum Mobility"). Diese Dissertation betrachtet im Wesentlichen diese zwei Kernfunktionalitäten. Im Bereich Spectrum Sensing wird eine Methodik zur Energieerkennung vorgestellt. Grundsätzlich wird bei Energieerkennung gemessene Energie mit einem Schwellwert verglichen, wobei das Problem darin besteht, einen geeigneten Schwellwert zu finden. In unserer Lösung bauen wir auf bereits existierende Ansätze auf und zeigen die Wirksamkeit unserer Maßnahmen durch das Durchführen experimenteller Messungen. Im Bereich Spectrum Mobility konzentrieren wir uns zunächst auf den Zeitpunkt, zu dem der Primärnutzer das von ihm lizenzierte Band nutzen möchte. Genau ab dann müssen die Knoten der Sekundärnutzer diesen Frequenzbereich meiden und haben somit auch nicht die Möglichkeit, sich über die neue Situation abzusprechen. In unserer Lösung wechseln daher alle Knoten periodisch den Kanal gemäß eines gemeinsamen Plans (Schedule). Der Hauptbeitrag dieser Dissertation liegt im Berechnen von Schedules, die einen robusten Betrieb unter sich ändernden Bedingungen gewährleisten können. Darauf aufbauend wird ein Netzwerkprotokoll vorgestellt, welches Störungen in drei Dimensionen (Zeit, Raum und Kanal) entgegenwirkt. In einer Evaluation wird gezeigt, dass das Protokoll dazu in der Lage ist, den robusten Betrieb aufrecht zu erhalten.