February 2008 1

Cognitive Radio: A Survey

Patrick Mitran

University of Waterloo

February 2008 2

Apologies

Apologies for all the results/aspects omitted from this talk.

February 2008 3

Outline

● Why Cognitive Radio?● Spectrum Sharing 

– Interference Management● Overview of IEEE 802.22● Research Challenges● Conclusion

February 2008 4

Spectrum Licensing

● Most governments consider the electromagnetic spectrum to be a public resource.– It is usually allocated by a governmental organization 

(FCC, CRTC, ETSI, ARIB, etc.)– The spectrum is licensed to users to further the public 

good, e.g., radio, television, etc.

● Examples of licensing– TV channels, radio– cellular service – Unlicensed “free for all”, subject to some constraints 

(eg., 900 MHz cordless phones, 2.4 GHz wireless WiFi). 

February 2008 5

Spectrum Usage

● Actual measurements by the FCC have shown that many licensed spectrum bands are unused most of the time.– In NYC, spectrum occupancy is only 13.1% between 

30 MHz – 3.0 GHz.

Spectrum usage in700 MHz below1 GHz.

AtlantaNew OrleansSan Diego

February 2008 6

Spectrum Usage

● Actual measurements by the FCC have shown that many licensed spectrum bands are unused most of the time.– In NYC, spectrum occupancy is only 13.1% between 

30 MHz – 3.0 GHz.

● Good quality spectrum is scarce.

● Is the best use to license spectrum for exclusive use to a single primary user? (currently dominant)

Cognitive radio is the technology that follows if you think there are opportunities here.

February 2008 7

Spectrum Sharing

● There are 3 ways to share spectrum– Exclusive access– Horizontal sharing– Vertical sharing

● Exclusive access is currently the dominant method.– Only the primary user (if at all)  can access the spectrum.

February 2008 8

Spectrum Sharing

● Horizontal sharing

– All systems have the same regulatory status and may access spectrum on equal footing.

– Different systems may operate in the same band without coordinated spectrum access (interference).

– 900 MHz unlicensed band (cordless phone)– 2.4 GHz unlicensed band (WLAN, bluetooth)– Have generated a large amount of social impact.

February 2008 9

Vertical Sharing

● When one talks about cognitive radio, one usually means vertical sharing.– The primary user pays good money for (primary) access to 

the spectrum.– However, if the primary user does not use it, should the 

secondary be disallowed from access?– What if the secondary causes “negligible” interference?

● In cognitive radio,– A secondary user can only borrow spectrum if it does not 

generate “harmful” interference.– Can also take advantage of horizontally shared spectrum.

February 2008 10

A Definition of CR

● A cognitive radio is an unlicensed communication system– that is aware of its environment– learns from its environment– adapts to the statistical variations of its environment

 

● and uses these to– achieve reliable communication and spectral efficiency 

by employing spectral holes or opportunities and does not generate harmful interference. 

● Why is it called “cognitive” radio?– due to sensing requirements to avoid harmful interference 

and exploit spectral holes.

February 2008 11

Device Capabilities

● Cognitive Radios will be complex devices.

● Regardless of how they mitigate interference to primary users, it is desirable to be able to perform– Spectrum estimation/hole discovery– Channel state estimation– Power control– Dynamic spectrum management

February 2008 12

Software Defined Radio

● Software Define Radios (SDRs) are a natural candidate (enabling technology) for implementing cognitive radios technology.– Cognitive radio first proposed as an application of SDR by 

Mitola.

● Easily reconfigurable in software– If you move your device to a new location, the device 

can be reprogrammed based on that locations specific regulations, primary behavior characteristics.

– Can learn new modulation schemes as technology of primaries may change in time.

● “future proof”

February 2008 13

Harmful Interference

● What is harmful interference?– Ultimately depends on the application.

● There are generally two common approaches to avoid harmful interference:– Interference avoidance (spectrum overlay)– Interference control (spectrum underlay)

           (overlay)                                     (underlay)

February 2008 14

Interference Avoidance● In principle, interference avoidance involves only two 

steps:– Look for holes in spectrum/time.– Transmit only in those bands at those times.

● Sounds a lot easier than it is.– Detection of spectral holes is difficult due to the large 

range of potential modulation/coding schemes.– Hidden terminal problem.– Fast detection time needed.– Careful measurements based on actual primary signal 

statistics to design signatures is required.

February 2008 15

Interference Avoidance

● Some methods to detect holes: 

– Energy detection. – Matched filter detection.– Cyclostationary detection.– Wavelet detection.– Cooperative spectrum sensing and data fusion.

February 2008 16

How to Use holes?● Suppose that after some sophisticated signal 

processing, we determine that spectrum occupancy is:

● How do we use these (non­contiguous) holes?– Could have a library of schemes, each with different 

rates/bandwidth● Doesn't seem to scale / High complexity.

February 2008 17

OFDM● OFDM based approach solves the problem naturally

● OFDM has the advantages that– It is low complexity (FFT and IFFT based)– Can be naturally adjusted to fit almost any configuration 

of spectral holes.– Is growing in popularity (802.11a, 802.16, 802.22)

February 2008 18

IEEE 802.22: A Cognitive WRAN● 802.22 is a standard in development for Cognitive 

Wireless Regional Area Networks– WG started in Nov. 2004. No standard yet.– Motorola, Phillips, Samsung and Thomson are among the 

industry participants. 

● Target Market– Make use of vacant TV broadcast band– Provide wireless broadband access to rural and remote 

areas, low density.– Scale to serve denser areas if spectrum availability permits– Data, VoIP, audio/video, QoS.– Residential, small/home office, small building, campuses– Fixed Wireless Access (FWA)

February 2008 19

Deployment Scenario

Figure courtesy 802.22 WG.

TV TransmitterWRAN

Base Station

: CPE

: WRAN Base Station

Typical ~33kmMax. 100km

February 2008 20

Technical Requirements● 33 km range (typical)

– Based on 4 Watt CPE, 50% location availability, 99.9% time availability.

– Max coverage of 100 km.– 1­5 Bits/sec/Hz spectral efficiency.

 

● Operates in UHF/VHF TV broadcast band– Typically 54­698 MHz in US (channels 2­51).– Extremes of 47­910 MHz internationally.

 

● Possible Incumbent (Primary Devices)– TV broadcasts (NTSC, PAL, SECAM, ATSC, DVB­T)– Wireless microphones– Medical telemetry– Mobile radios (police, firemen)

February 2008 21

Sensing ● Detecting the presence of and coexisting with primary 

users is paramount. 

● CPEs are slaves of the Base Station– BS tell CPEs when to sense and which channel to sense.– CPE is equipped with 2 antennas.– Information is reported back to BS (data fusion).– BS tells CPE when to transmit (periodic enabling signal).– CPEs employ both energy detection and feature 

detection methods. 

● In addition,– BS maintains a table of channel occupancy status.– Primaries can transmit a beacon (802.22.1)– CPE must sense all channels when powered on.

February 2008 22

Channel Bonding

● Channel bonding is a technique that uses multiple adjacent available channels.

February 2008 23

Partial BW

● There is support for fractional bandwidth usage,– eg, to avoid interfering with a narrowband microphone 

user.

February 2008 24

Sub­carrier Allocation● Pilots are tiled across consecutive OFDM symbols and 

sub­carriers.

● A sub­channel consists of 28 contiguous sub­carriers– (24 data + 4 pilots)– 60 sub­channels per channel

February 2008 25

Research Challenges

● Cognitive MAC 

● Resource Allocation

● Coexistence issues

● Broader gains of large cognitive networks

● Interference Control– Are cognitive users necessarily interferers?

February 2008 26

Where to Measure for Holes?

● If the secondary user is limited in its abilities, it may have to choose to scan only certain channels.

● There is a tradeoff:– Scanning a channel that is likely to be free increases 

throughput.– Why scan a channel that is unlikely to be free?

● Scanning a channel improves estimate of and tracks changes in odds of it being free.

– Two­armed bandit problem.

February 2008 27

Two­armed Bandit

● This is similar to the two­armed bandit problem and its variants.– In this problem, you have the choice at every time to play 

one of two slot machines.– Each slot machine pays out with unknown probability p 

and q.– How to determine which machine to use at which time?

● In our case– Slot machine = channel– Payout probability = probability that channel is free– There could be numerous machines.– We can play multiple machines at once.– There is more than one player.

February 2008 28

Resource Allocation

● If we consider a star network (i.e. 802.22 like) alone, there are challenging problems in resource allocation:

– Not all sub­channels are feasible for all secondary users

– There are challenging trade­offs between  sub­channel allocation, power allocation and rate.

– Since primary users can be mobile, re­allocation must be done in real­time.

WirelessMIC

WRANBase Station

February 2008 29

Co­existence Issues

● In a cognitive WRAN, the base stations must co­exists:

– Some methods are needed by which the base­stations do not excessively compete. 

– By default, each WRAN acts selfishly to optimize its own utility. 

– Appropriate notions of fairness and distributed algorithms to achieve this are needed.

WRANBase Station

WRANBase Station

February 2008 30

Large Distributed Cognitive Networks

● We can also consider large distributed cognitive networks co­located with a primary network.

– What are the inherit performance limits of larger cognitive networks?

– How does the interference created to the primary network scale with the secondary network?

– What are good distributed self­organizing algorithms for cognitive networks?

February 2008 31

Interference control● Interference avoidance is worst­case design

– In practice, this may be too aggressive and overly limit throughput of secondary users.

● Interference temperature has been proposed as a method to limit interference by secondary users.

– Interference temperature measures power per Hertz.– Computed from sum of all noise plus interference at 

receiver.

February 2008 32

Effect of Interference Temperature

● Interference temperature introduces new opportunities at a cost:

● Additional difficulties– Secondary user needs to measure/know temp. at 

primary receivers.● Secondary measurements● Feedback from primary

● Treats secondary tx as interference.

February 2008 33

Information Theoretic Considerations

● Can we do better?– Fountain codes

      Primary      transmit      only

      Primary and      secondary      transmit

February 2008 34

Genie Cognitive Problem

● In principle, fraction of time spent acquiring primary message is:

● Genie cognitive problem:

February 2008 35

Competition/Cognition/Cooperation

Competition:Interference channel

Cooperation:MIMO Broadcastchannel

Cognition:Interferencechannel withdegraded messages

February 2008 36

Secondary User Strategies

● The simplest strategy for the secondary user is to act selflessly.– It can expend all its power on aiding the primary

Rates:

February 2008 37

Secondary User Strategies

● Another option is to be completely selfish (greedy).– It can “pre­cancel” the interference from the primary.

Rates:                                     <­ Contains interference

February 2008 38

Intuition of a Genie Cognitive Scheme

● First bounds for this problem in [Devroye et al. IT­05, CISS­05]● Scheme in [Devroye, ISIT­05] is for more general setting, but 

can be summarized for Genie cognitive channel as:

Primary has private and public componentsSecondary has private and public components

February 2008 39

Intuition of a Genie Cognitive Scheme

● Primary uses superposition encoding to transmit privateand public        .(e.g.)                                            for example.

● Secondary – encodes private         and public         .– Applies Gelfand­Pinsker for         and        against  encodings of  

       and        . – Applies superposition encoding to results of previous two steps.

February 2008 40

Capacity for a Class of Channels● In ISIT­06, Jovicic and Viswanath found the capacity for 

a class of weak interference cognitive channels.

Weak interference:

– Primary encodes its message– Secondary splits its power

  Fraction            repeats primary's encoding  Fraction            applies DPC against interference seen at    cognitive receiver.

– Clever outer­bounding shows that this is capacity.

February 2008 41

Rate regions

● Capacity region is then:

February 2008 42

Rate regions

February 2008 43

Questions● So is treating a secondary transmitter as an interferer 

the right thing to do?– If not, we must have primary transmitters use “cognitive 

compatible” coding a modulation schemes.

● In practice, secondary user must acquire primary message– If secondary is near primary, this overhead may be 

negligeable.

● In [Devroye et al, IT­06], some causal schemes are considered– The causal problem has received surprisingly little 

attention.

February 2008 44

Summary

● Cognitive radio is motivated by its potential impact. 

● Many challenging problems need to be solved. 

● Two approaches to “no harmful interference”– interference avoidance (overlay)– interference control (underlay)

● A very clever cognitive device can employ coding techniques to mitigate harmful interference. 

● IEEE 802.22 is an emerging standard for WRAN– aimed at providing fixed wireless broadband.

February 2008 45

Thank You !!!