Analisi della competizione nella selezione dello spettro in reti radio cognitive

Nowadays, wireless networks are characterized by a fixed spectrum assignment policy, which often leads to waste large spectrum portions due to sporadic utilization by the licensed users. Cognitive radio is a novel technique used to alleviate the problem of the underutilization of frequency spectrum in wireless communications. In a cognitive radio system, licensed (primary) users coexist with unlicensed (secondary) ones: users without license are allowed to access licensed spectrum if licensed users are not using it, with the strict constraint of being invisible to the activity of primary users. From the point of view of a secondary user, the licensed channel can be considered as a server which is randomly interrupted by primary users: when a licensed user emerges, the unlicensed transmission is interrupted due to the higher priority of primary ones. So the feature that distinguishes the cognitive networks from traditional wireless networks is that the server can be interrupted by a primary user's arrival: interruption becomes a new factor impacting the system performance in cognitive radio systems, besides the traditional ones (fading and interference). A service interruption can bring a substantial impact on various queuing metrics like average queue length and average waiting time. Each secondary customer can choose which queue join, according the first-in-first-out (FIFO) rule. Once a customer joins the queue, he cannot leave and must wait until being served. So the choice of the queue is very important because it generally affects the performance of the system. The individual decision of each customer is optimized based on the waiting time: unlicensed users act selfishly in order to minimize their average waiting time. The result is an aggregate equilibrium which may not be optimal from the point of view of the system. A socially optimal strategy instead allows to minimize the average delay of all secondary users. Numerical results show that these two strategies, individual and social, generally don't coincide: this gap is due to the fact that a customer who joins a queue may cause future customers to spend more time in the system. Since the individual's objective doesn't take into account these external factors, the equilibrium reached is greater than the socially desired one. In other words, individual optimization leads to longer waiting queues than the social one. To make sure that these two optimal strategies coincide is necessary to introduce an admission fee to the queue. In this work, we study the secondary users' splitting over different multichannel cognitive radio networks subject to service interruptions. The objective is to achieve the socially optimal strategy and minimize the average delay of each unlicensed users. Secondary users have a set of channels which are different not only in their physical characteristics but also in the activity profile of primary uses. Consequently, from the point of view of the effective throughput that unlicensed users can obtain in each channel there exists a trade-off between the rate they can obtain in a certain channel and the amount of time they can use it. The thesis provides a powerful method to have full control over queue management: simulation in Matlab makes it possible to study the performance of the system. We focus on the channel decision: knowing the characteristics of the free licensed channels we analyze the distribution of the secondary flow in different scenarios. In particular, the quality of the channel, seen from a secondary user, depends on the choices of other users. So we use game theory to study the competition between different secondary users.

Al giorno d'oggi le reti wireless sono particolarmente diffuse, sia in ambienti aziendali che casalinghi. Tali reti sono caratterizzate da una rigida politica di assegnamento dello spettro, che spesso porta ad uno spreco di porzioni spettrali a causa dello sporadico utilizzo degli utenti con licenza. Le reti cognitive consentono di ridurre questo problema infatti gli utenti con licenza (detti primari) coesistono con gli utenti senza licenza (secondari). Gli utenti secondari possono opportunisticamente accedere alle risorse condivise libere con il vincolo di essere invisibili all'attività degli utenti primari. Dal punto di vista degli utenti secondari, il canale con licenza può essere considerato come un servente che viene casualmente interrotto dall'arrivo di utenti con licenza. La caratteristica quindi che contraddistingue le reti cognitive dalle reti wireless tradizionali è che il servente viene interrotto dagli utenti primari: le prestazioni degli utenti secondari sono quindi influenzate dalle interruzioni provocate dagli utenti primari, oltre che dalle interferenze e dal fading. La gestione dello spettro viene effettuata dagli utenti della rete cognitiva attraverso le attività di sensing, decision, sharing e mobility. Sfruttando la teoria dei giochi è possibile definire la strategia migliore che gli utenti secondari devono seguire nella fase di decisione con lo scopo di minimizzare il tempo di attesa medio. Ogni utente secondario può scegliere in quale coda unirsi, seguendo la politica first-in-first-out (FIFO). Una volta che l'utente si è accodato non può più abbandonare la coda e deve attendere di essere servito. Pertanto la scelta della coda è fondamentale poichè influenza le prestazioni del sistema. La decisione individuale di ogni cliente è basata sulla penalizzazione data dal tempo di attesa: i clienti secondari nel sistema di servizio agiscono in modo indipendente al fine di minimizzare la loro attesa. Il risultato è l'equilibrio di Wardrop che può non essere ottimale dal punto di vista sociale. Una strategia mirata all'ottimo sociale invece permette di massimizzare il beneficio medio di tutti i clienti. In questo lavoro si studia la suddivisione degli utenti secondari per diverse reti cognitive. L'obiettivo è quello di conoscere, in ogni scenario, la strategia ottima, che permette di ridurre al minimo il ritardo medio degli utenti senza licenza, per poterla confrontare con la strategia che porta all'equilibrio di Wardrop. Gli utenti secondari hanno a disposizione una serie di canali che differiscono non solo per le loro caratteristiche fisiche ma anche per il profilo di attività degli utenti primari. Siccome le qualità del canale, viste da un utente secondario, dipendono anche dalle scelte degli altri utenti si utilizza la teoria dei giochi per studiare la competizione nella selezione dello spettro in reti radio cognitive.