TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.6, Jun e  201 4, pp. 4500 ~ 4 5 0 4   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i6.548 9          4500     Re cei v ed  De cem ber 2 4 , 2013; Re vi sed  Febr uary 21,  2014; Accept ed March 6, 2 014   Highly Effective Algorithm of the Threshold Detection  in the Cognitive Radio      Qing Long Xu* 1 , Zhan Ga o 1,2   1 Institute of Communicati on a nd Eng i n eeri n g ,  PLA Un iversit y  of Scie nce a nd T e chnol og y (ICE, PLAUST 2 Nation al Eng i neer ing R e se a r ch Center for  Short W a ve Co mmunicati on   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : 1585 06 208 5 0 @1 63.com       A b st r a ct   Opportun i stic spectru m  acces s  (OSA) is a ke techniq ue en abli ng the sec o ndary us ers (SUs) in  a   cogn itive ra di (CR) netw o rk to trans mit ov er  the “s pectru m  hol es ”  un occu p i ed by  the  pri m ary users (PUs ).  In contrast to OSA,  with spectrum   shar in g (SS) is allow ed  to transmit  re g a rdl e ss of the PU s  on/off status,  provi ded that the resu lting  i n terferenc e to PU is kept belo w  a predef ine d  threshol d. In this pa per, w e  foc u s   on the thr e sh ol d detecti on  alg o rith m study fo r spectru m   sh a r ing, w h ich  ai ms to get  the SI R of the PUs  a s   quickly a nd pr ecisely as p o s s ible. W e  prop ose a dich oto m y al gorith m   w i th low e r comp lexity an d mor e   quickly  in c ont rast to the tra d itio nal f u ll s e arch a l gor ith m . Nu mer ous si mu lati on res u lt s are pr ovi ded  t o   valid ate the pr opos ed a l gor ithm.     Ke y w ord:  op portun i stic sp ectrum  acces s , cognitiv e  radi o, spectru m  sh arin g, thresho l d d e tectio n ,   dich oto m y alg o r ithm    Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  By enablin the second ary use r s (S Us) to a c cess to the  occu pied  ch annel  of the   prima r y u s ers (P Us) i n  a  cog n itive ra di o (CR) [1 -2], spe c trum  sh aring  (SS) [3] is  rega rd ed  as  one  pro m isin g solution to  re solving  th e spe c trum  scarcity  versus sp ectrum   und erutili zat i on   para dox in  wirel e ss  com m unication [4-6]. In [7], the authors prop osed a  hidden  po wer- feedba ck loo p  for th CR.  If PU is  rea c ti ve and  re act s  upo n receiving SU’ s  i n terf eren ce, S U   will  rea c tive a po wer-b o o s ted  PU sig nal s th at is ea sie r  to dete c t. In [8], it investigates the e n e r gy  efficien cy ma ximization  problem  of  co gnitive  radio  syste m s an d p r op oses to stu d y e nergy   efficien cy of  cog n itive rel a y tran smissi on sc h e me  based o n   co operative sp ectru m  sen s i ng.  Paper [9] propo se s an i m prove d  co g n itive radio  spectrum sen s ing al gorith m , which ai ms to  improve the  SU’s d e tectio n perfo rma n ce and redu ce s the interfe r ence of the SUs to the P U s.   But it doe sn ’t solve th spe c tru m   sh aring  bet wee n  PUs  and  SUs.To  de si gn o p timal  SS  strategi es, t w o go als are a ddre s sed  at t he  same  time : the maximu m sig nal to  in terfere n ce ra dio  (SIR) of the  PUs  sho u ld b e  detecte d q u ickly and p r eci s ely. Therefore  we ne e d  to find a ki nd of  threshold d e tection al gorit hm, which ca n detect the  SIR quickly and pre c i s ely.  The re st of the pape r is organi zed a s  follows : Sectio n II present s the system m odel for  PUs and SUs in a  CR  network.  Section III describes  the threshold detection algorithm  and  simulate s the  propo se d al gorithm. Se ction IV analyses the si mula tion results a nd com p a r e s  the   prop osed  alg o rithm  with  the tradition al full  se a r ch a l gorithm. Fin a lly,  Section  V  co ncl ude s the  pape r.      2. Sy stem Model   We con s ide r  a CR net wo rk con s isting of  two SUs an d  two PUs. Fig u re 1 sho w s t hat the   PUs have dif f erent sp ect r um acce ss  st rategie s whi c h mea n s th e PUs  can switch to an other  comm uni cati on fre que ncy  whe n  the  current comm unication fre quen cy is inf l uen ced. In t h is   pape r, we a s sume that the two PUs are in com m unication with each oth e r at F 0  in the  begin n ing. Th e block dia g ram is a s  sho w n in Figu re  2.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Highl y Effective Algo rithm   of the Thre sh old De te ction  in the Cog n itive Radio (Qin g Long Xu 4501                   As sho w n in Figure 2, the  two SUs a r e within  the po wer  coverage  of  the PU1. If the two  SUs also wan t   to  comm uni cate at  F 0 , there  are  two  competing  go a l shoul d b e   addresse d at  the  same time: the quality of commu nicati on for SUs  should be g u a rante ed a s  far as po ssib le,  whe r ea s the i n terferen ce from  SUs can  not affect the  norm a l co m m unication b e twee n the P U and PU2. In other  words,  we ne ed to control the  tra n smit po we of the SUs a nd ke ep it bel ow a  pred efined  th reshold  of the  PU2. T herefore  we   shoul d get th e ma ximum SIR of  the PU2. In t h is  pape r, we  put  forward  a m e thod that S U sen d a t entative interf eren ce  po we r to PU2, then  we  can  dete r min e  whethe r th e PU2’  com m unication  is  interfe r ed  th roug h th e fee dba ck chan n e l. If  the PU2’  co mmuni cation  is influen ce d, we shoul redu ce the tra n smit po we of the SU1  with a   unit of  P as soo n  a s  po ssible. Oth e rwi s e, we shoul d increa se th e tran smit po wer  with a  un it of  P as soo n  a s  po ssi ble.  P is variable.  After several i t eration s , we  can eve n tuall y  get the PU2’s   anti-inte rfere n ce threshold - SIR.      3. Algorithm Design   The thou ght  of the algo rith m desi gn  co mes from  the  detectio n  alg o rithm of the  relatively  cog n itive sig nal, whi c send s the int e rferen ce  p o w er t o  the o b jective  cog n i tive system  at a   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4500 – 4 504   4502 workin g fre q uen cy F 0 . Each tim e  the  value of int e rferen ce p o w er is  different. After se veral  iteration s we  ca get the  critical  po wer  of  inte rference  whe n   PUs are fo rced to  switch  the   workin g freq u ency.   The tra d ition a l full sea r ch  algorith m  (FS A ) [10] is de scrib ed a s  foll ows: First, it  need to  determi ne a  f i xed  po we r step size  P. Then   SU ran domly  send s a  tentative int e rferen ce  po we P 0  towa rds t he P U 2. If th e PU2  swit ch es th e frequ e n cy, the  po wer P is la rg er  th an  th e a n ti- interferen ce thre shol d of PU2 and the  interfer e n ce  powe r  that will be se nt next time should   subt r a ct P .  Otherwi se  we shoul d ad d a  P. After several itera t ions, the SIR of PU2  will  be  acq u ire d . Its accuracy of converg e n c e i s  relate d to  P, which me a n s the le ss  P is, the high er   the a c cura cy  of co nverg e n c e i s Ho wev e r the  hig her   accuracy  of converg e n c e i s  at th co st  of  highe compl e xity, which  cannot m eet t he go al of  fa st an d efficie n t dete c tion.  In this p ape we   prop ose a  al gorithm  ba se d on  di choto m y [11], whi c h is a  fast  se arch  algo rith m. The  ba se d-o n   dich otomy al gorithm  is  b e tter than  F SA in t he  te rms  of  the speed of  the accuracy of the   conve r ge nce. In this pa per we p u t forwa r d a  th re shol d dete c tion al gorithm  ba se d on di ch oto m y,  whi c h are de scribe d as foll owin g:  Firstly, like th e FSA, we  sh ould  set a mi nimum p o wer re solution   (dBm) a nd 2 N  optiona l   interferen ce power p i =i* ,  i=1,2,3,……, 2 N  . Secondly, defining events  E  p  and E  p . The   E  p  mean s the PU ca nnot  sta nd the interfe r en ce , sto p  communi catin g  or switch to  anothe freque ncy when interfe r e n ce p o we r switch to p. Similarly,  E  p  repre s e n ts th at when   interferen ce  power  swit ch  to p, it means th inte rferen ce p o wer i s  belo w   the interfe r e n ce   threshold of  PU. Therefo r e, to acquire  the critic al i n terferen ce p o we r,  the interferen ce po wer  sho u ld meet the followi ng condition s: (1 ) E  p ; (2) E  p ; (3) p p = To achi eve the above g o a l, firstly, we use  exp one ntial algorith m  to roughly se arch for  the threshold .  Secondly, whe n  app roa c hin g  the  thresh old, we a d just the po wer by dicho t omy  algorithm to tes t  the PU.  After N ti me s’ it eration s , th critical  po wer  of interfe r en ce can  be  foun d.  The algo rithm  is as follo win g :   a) Initializin g para m eters: k=1 p 2  * p =f ( p , r ).  b) k++, if the event of  E  p   happ en s,  p p  2  ∗∆ , else the even t o f   E  p   must happe n,  p p  2  ∗∆ . Depe ndi ng on the interferen ce po wer, we can   get  p f p ,r c) If k<N, go  back to  , else e nd an d  get the criti c al  power of i n terferen ce, whi c h is  divided into three  con d itio ns:   ¡ If  p 2 ∗∆  and  both  of  E  p   and E  p  happ en , it is beyo nd the rang e of  estimation  p thres h old> 2 ∗∆ , it mean s the method do es n o t work.   (¡¡ )  If  p ∆  and  E  p  p threshold = /2+ p ( ¡¡¡ )  p thres h old= p p  /2+ p     4. The Anal y s is of Simulation Results  We u s e the  conve r ge nce of the ste ady-sta te val ue to judge  the accuracy of the  estimation of  the critical po wer of inte rfe r en ce.  We u s e the numbe r of iterations  to measu r e t h e   conve r ge nce  spee d of the algo rith m .  Figure 3  sho w s that different  P  have different  conve r ge nce  results i n  the  FSA. Whe n   the  P i s  la rge en oug h, the FSA  can  also  achieve  the  same  sp eed  of the conve r gen ce  as th e dich otom algorith m . Howeve r, the  accuracy of t h e   convergence will  de clines as  the  P in crea se s. In Fig u re  4 we can  see  wh en u s i ng expo nenti a algorith m  to roug hly se arch for th e an ti-interfe ren c e  threshold of  PU, the cho i ce of the b a s e   numbe r i s  ve ry importa nt. If the b a se n u m ber is t oo l a rge, the  nu m ber  of PU’ s   switchi ng  wo rkin g   freque ncy will  incre a se, whi c h may affect  the PU ’s co mmuni cation.  However, if the ba se num ber  is too little, th e numbe r of the iteration s  to appr oa ch the anti-interfe r ence thre shol d of the PU will  also i n crea se . Therefo r e, a  prop er  ba se  numbe i s  very important.  Figure 5  sho w s th at different  simulatio n  on  condition th at the SIR of t he PU is 4dB and the SNR is 20 dB , 10dB and 0dB.  Dep endin g  o n  the re sults  of the simula tion, we  can  see  whe n  the SNR i s  20 dB as sho w n  in  Figure 5 ( a), t he nu mbe r  of  the it erations of the FSA i s  30  whe n   the  dich otomy al gorithm’ s  i s  1 5 Whe n  the S NR  de cline s   to 10dB an d  0dB as  s h o w n in Fi gure  5(b ) , (c), th e numb e r of  th e   iteration s  of  FSA keep s th e sam e  a s  th e re sult  of wh en the SNR i s  20 dB. But the convergen ce   of the steady-state value  has a mino r fluctuat ion s . Ho wever the  dichotomy a l gorithm alm o st   remai n s the  same a s  th result  of when  the  SNR i s   2 0dB. Wh en t he SNR  co ntinue s to  de cline  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Highl y Effective Algo rithm   of the Thre sh old De te ction  in the Cog n itive Radio (Qin g Long Xu 4503 to -20 d B as  sho w n i n  Fig . 5.(d), the  co nverge nce speed  of FSA is rather sl o w , whi c alm o st  can not  conv erge. B u t at  the  same   time t he  co nverge nce  speed  and  the a c curacy  of  conve r ge nce  of the dichotomy algo rithm ar e al most still u n ch ang eable.  Therefore,  the  dich otomy al gorithm i s  a f a st and  highl y effective  algorithm, which is very fit for the thresh old   detectio n  of the PU.        Figure 3. The  Results of Simulation of  Different  p for FSA  Figure 4. The  Results of Simulation of di fferent   Base nu mbe r  for Dichotom y Algorithm        (a)       (b)   (c )   (d)   Figure 5. The  Results of for Differe nt SNR  10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 S I R= 4d B  S N R = 1 0dB num be r  of   i t erat i o ns i n t e rf ere n c e  po w e r     p= 1 p= 5 p= 10 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 n u m b er  of   i t er a t i ons i n t e r f e r en c e  po w e r S I R= 4 d B  S NR= 1 0 d B     ba s e  num ber= 2 ba s e  num ber= 4 ba s e  num ber= 8 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 0 nu m ber  of   i t er at i o ns i n t e r f e r enc e  pow er SI R = 4 d B SN R = 0 d B     f u l l  s e a r c h  al go ri t h m d i c hot om y  al g o r i t h m 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 num ber of  i t e r at i ons int e r f er enc e  pow er S I R = 4dB  S N R = 10dB     f u l l  s earc h   al gori t hm di c hot om y  al gori t hm 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 num be r of  i t er at i ons i n t e r f er enc e  pow er S I R= 4d B  S N R = 2 0dB     f u l l  s earc h  al gori t hm di c hot om y  al gori t h m 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 0 nu m ber  of  i t e r at i o n s i n t e r f eren c e  po w e r SI R = 4 d B SN R = - 2 0 d B     f u l l  s e ar c h   a l go r i t h m di c h ot o m y  al go r i t h m Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4500 – 4 504   4504 5. Conclusio n   The FSA sa crifice s  its con v ergen ce  spe ed to  get the accura cy of  conve r ge nce, which   can not be a daptive to the terminal e quipme n ts  wi th cognitive functio n . It does not have  the   quick reaction capability. In contra st, the dichotomy  algorithm is v e ry  fast and  effective, whi c h i s   widely used i n  math sea r ch. In this paper we ma ke f u ll use of the  advantage o f  the dichoto m algorith m  to  detect th e SIR of the  PU. We  al so  compa r e the  two  algo rithm s  by  com put er  simulatio n . From the re sult s, we can see  the  dichotom y algorithm is better than the FSA.       Referen ces   [1]   Walko  J.  Cogn i t ive radi o . IEE  Revie w  . 2 005;  51(5); .  [2]   X i an w e Zhou.  Cog n itive ra di o . Beijin g:  Natio nal D e fenc e Industry Press . 2008:2- 44.   [3]    Yuel ing  C hen,  Yi Gon g .  On   Desig n   of Opp o rtuni stic  Spec trum Access  in  the Pr ese n ce  of Re acti v e   Primar y  Users.  IEEE Transactions on Communic a tions . 2 0 1 3 ; 61(7): 26 78-  2691.    [4]    Q. Z hao, B. S adl er. A surv e y   of d y n a mic  s pectrum  acces s . IEEE Signal Process. M a g . 200 7; 2 4 :79- 89.   [5]    B. W ang, K. J .  R. Liu.  Adva nces  i n  c ogn iti v e ra dio  net w o rks: a surve y IEEE J. Sel. T opics  Signal  Process.  201 1; 5(1):5-2 3.   [6]    I. Aky i ldiz, W .   Lee, M. Vuran,  S. Mohant y .  Ne xt  gen eratio n/d y nam ic spe c tr um access/cogn itive rad i o   w i reless net w o rks: a survey Com p ut. Netw . 2006; 5 0 (13):  212 7-21 59.   [7]    R Z han g, Y C Lin g Explo i tin g  hi dde n p o w e r-feedb ack lo o p s for cog n itive  radio . IEEE Int. Sy m p . Ne w   F r ontiers in D y namic Sp ectru m  Access Netw o r ks. 200 8.   [8]    Yaol ian Son g , Guangz en F e ng, Xua n h u i Xi Energ y   Effici enc Ma ximiza tion  Bas ed on Coo peretiv e   Sensi ng  in  Co gnitiv e  R e la Net w orks.  T E L K OMNIKA Ind ones ian  Jo urn a of Electric al  Eng i ne eri n g 201 3; 11(8): 41 76-4 178.   [9]    Den g y in Z h an g, Kuank ua n L i , Li  Xi ao. An I m pr ove d  Co gn itive R adi o Sp ectrum Sens in g Alg o rithm .   T E LKOMNIKA Indon esi an Jou r nal of Electric al Eng i ne eri n g .  2013; 1 1 (2): 5 83-5 85.   [10]    Yanfei Sh en,  Cha o . Hua ng.   An Adaptiv e Algorit h m  of F a st F u ll Searc h  Motion Esti mati on . T he  Eleve n th Nati o nal C onfere n ce  on Image a nd  Graphics. 20 03 : 10-01.   [11]   Haita o  W ang. T he improv ed  dich otom y  s ear ch alg o rithm.  C o mputer En gi n eeri n g . 20 06; 3 2 (10): 1-4.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.