T E L K O M N I K T elec o m m un ica t io n,  Co m pu t ing ,   E lect ro nics   a nd   Co ntr o l   Vo l.   19 ,   No .   4 A u g u s t   2 0 2 1 ,   p p .   1 0 6 6 ~ 1 0 7 7   I SS N:  1 6 9 3 - 6 9 3 0 ,   ac cr ed ited   First Gr ad b y   Kem en r is tek d i k ti,  Dec r ee   No : 2 1 /E/KPT /2 0 1 8   DOI : 1 0 . 1 2 9 2 8 /TE L KOM NI K A. v 1 9 i4 . 2 0 3 6 6     1066       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //jo u r n a l.u a d . a c. id /in d ex . p h p /TELK OM N I K A   An optimiz ed po wer allo ca tion a lg o rithm f o co g niti v e radio   NO M A  com muni ca tion       M a da n H .   T . P .   I .   B a s a rk o d   S c h o o o f   El e c tro n ics   a n d   C o m m u n ica ti o n   E n g i n e e rin g ,   REVA Un iv e rsity ,   Be n g a l u ru ,   In d ia       Art icle  I nfo     AB S T RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Sep   1 2 ,   2 0 2 0   R ev is ed   Ma r   1 ,   2 0 2 1   Acc ep ted   Ma r   1 7 ,   2 0 2 1       Th e   p rima ry   o b jec ti v e   o c o g n it i v e   ra d io   n e two rk   is  t o   e ffe c ti v e ly   u ti li z e   th e   u n u se d   sp e c tru m   b a n d s.   In   c o g n it i v e   ra d i o   n e two rk s,   sp e c tru m   sh a rin g   b e twe e n   p rima ry   a n d   se c o n d a ry   u se rs  is  a c c o m p li sh e d   u sin g   e it h e u n d e rlay   o in terw e a v e   c o g n i ti v e   ra d io   a p p r o a c h .   No n   o rth o g o n a m u lt i p le  a c c e ss   ( NO M A )   is  th e   p r o v e n   tec h n o l o g y   in   th e   p re se n wire les d e v e lo p m e n ts,   wh ich   a ll o ws   t h e   c o e x isten c e   o m u lt ip le  u se rs  in   th e   sa m e   o r th o g o n a b lo c k .   Th e   n e p a ra d i g m   c o g n it i v e   r a d io   NO M (CR - NO M A)  is  o n e   o t h e   p o ten ti a so lu ti o n s   to   fu lfi ll   th e   d e m a n d o f   fu tu re   wire les c o m m u n ica ti o n .   Th is  p a p e e m p h a siz e o n   p ra c ti c a imp lem e n tatio n   o NO M in   c o g n it iv e   ra d io   n e tw o rk t o   e n h a n c e   th e   sp e c tral  e fficie n c y .   Th e   g o a is  t o   i n c re a se   th e   th ro u g h p u o f   th e   se c o n d a ry   u se rs  sa ti sfy in g   th e   q u a li ty   o f   se rv i c e   ( QOS )   re q u irem e n ts  o p r ima ry   u se rs.   To   a c h iev e   th is ,   we   h a v e   p re se n ted   th e   o p ti m ize d   p o we a ll o c a ti o n   str a teg y   fo u n d e rlay   d o wn li n k   sc e n a rio   to   su p p o rt   th e   sim u lt a n e o u tran s m issio n   o p rima ry   a n d   se c o n d a ry   u se rs.  F u rth e rm o re ,   we   h a v e   p ro p o se d   QO S   b a se d   p o we a l lo c a ti o n   s c h e m e   fo r     CR - NO M in terw e a v e   m o d e to   su p p o rt  th e   c o e x isten c e   o m u lt i p le   se c o n d a ry   n e two r k s.  Als o ,   t h e   c h a n g e a d o p ted   i n   im p lem e n ti n g   su p e rp o siti o n   c o d in g   (S C)   a n d   s u c c e ss iv e   in terfe re n c e   c a n c e ll a ti o n   (S IC)  fo r   CR - NO M a re   h i g h li g h ted .   F in a ll y ,   sim u latio n   re su l ts  v a li d a te  t h e   m a th e m a ti c a e x p re ss io n th a a re   d e riv e d   fo p o we a ll o c a ti o n   c o e fficie n a n d   o u tag e   p ro b a b il i ty .   K ey w o r d s :   C o g n itiv r ad io     I n ter wea v s h ar in g   NOM   Su cc ess iv e - in ter f er en ce   ca n ce llatio n   Su p er p o s itio n - c o d in g   Un d er lay   s h ar in g     T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Ma d an   H.   T .   Sch o o l o f   E lectr o n ics an d   C o m m u n icatio n   E n g in ee r in g   R E VA  Un iv er s ity   B en g alu r u ,   I n d ia   E m ail:   m ad an h t@ r ev a. ed u . in       1.   I NT RO D UCT I O N   E v er   in cr ea s in g   d em an d   f o r   wir eless   m o b ile  co m m u n ica tio n   h as  r esu lted   in   s h o r tag o f   r ad io   r eso u r ce s .   I is   p r e d icted   th at,   n u m b e r   o f   co n n ec ted   d ev ices  m ay   r ea c h   5 0   b illi o n   b y   2 0 2 5 .   On   th e   co n tr a r y ,   m o s o f   th licen s ed   s p ec tr u m   b an d s   ar u n d er u tili ze d ,   s o m etim es  ev en   less   th an   4 0 %.  C o n s id er in g   th ab o v e   f ac ts ,   it  ca n   b s tated   th at  th o n ly   way   to   ca ter   t h d em an d   f o r   wir eless   s p ec tr u m   is   to   m ak th b est  u s o f   u n d er u tili ze d   ch an n els.  As  r esu lt  o f   t h is ,   co g n itiv e   r a d io   ap p r o ac h   is   ex ten s iv ely   ex am in ed   b y   th e   r esear ch er s .   C u r r en tly   s en s in g   b ased   s p ec tr u m   s h a r in g   is   s u p p o r ted   b y   m a n y   in ter n atio n al  s tan d ar d s   lik e   IEEE   8 0 2 . 2 2 ,   8 0 2 . 1 1 ,   an d   8 0 2 . 1 5 ,   th u s   b y   ef f ec tiv ely   u tili zin g   th e   u n d er u tili ze d   ch an n e ls ,   f u tu r e   s p ec tr u m   n ee d s   ca n   b f u lf illed .   T h er ar two   m o d es  in   co g n itiv r a d io - b ased   s p ec tr u m   s h a r in g   [ 1 ] ,   [ 2 ] u n d er lay   a n d   in ter wea v m o d es.  I n   th f o r m er   ap p r o ac h ,   b o t h   in cu m b e n an d   co g n itiv u s er s   p er m itte d   to   tr an s m it  in   th e   s am ch an n el  at  th s am tim e.   T h is   m o d s u f f er s   f r o m   th li m itatio n s   o f   ch an n el   ca p ac ity   an d   d eg r a d atio n   o f   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l         A n   o p timiz ed   p o w er a llo ca tio n   a lg o r ith fo r   co g n itive  r a d i o   N OMA  co mmu n ica tio n   ( Ma d a n   H.   T. )   1067   q u ality   o f   s er v ice.   I n   th later ,   wh ite  s p ac es  ar id en tifie d   u s in g   s p ec tr u m   s en s in g   tech n iq u s u ch   as  en er g y   d etec tio n ,   an d   f ea tu r d etec tio n .   T h en ,   s ec o n d ar y   u s er s   ( SU)   ca n   tr an s m it  th eir   d ata  in   th id en tifie d   s lo ts .   I t   m u s t   b n o ted   t h at  s p ec tr u m   h an d o f f   is   r e q u ir ed   wh er e v er   th p r im ar y   u s er   ( PU)   b ec o m es  r ea ctiv e.   I n   th e   r ec en ad v an ce m en o f   wir eles s   r esear ch ,   NOM h as  b ec o m th en ab lin g   tech n o lo g y   [ 3 ]   wh ich   s u p p o r ts   th e   tr an s m is s io n   o f   m u ltip le  u s er s   in   t h s am o r th o g o n a b lo c k .   Var io u s   NOM tec h n iq u es   ar r ep o r ted   in   th r ec en s tu d ies,  wh ic h   ar e   ca t eg o r ized   as  co d e   d i v is io n   m u ltip le  ac ce s s   ( C DM ) ,   p atter n   d iv is io n   m u ltip le   ac ce s s   ( PTD - MA ) ,   s p ar s co d m u ltip le  ac ce s s   ( SC - MA ) ,   an d   p o we r   d o m ain   m u ltip lex i n g   ( PDM) .   T h h y b r id   co m b in atio n   o f   co g n itiv r ad i o   an d   NOM is   v er y   m u ch   ess en tial  to   b ea r   th co ex is ten ce   o f   p r im ar y   an d   s ec o n d ar y   n etwo r k s   an d   th s elf - co ex is ten ce   o f   m u ltip le  s ec o n d ar y   n etwo r k s .   T h p r ac tical  im p lem en tatio n   o f   N OM in   co g n itiv r ad io   n etw o r k s   d em an d s   o p tim al  p o wer   d is tr ib u tio n ,   o u ta g p r o b a b ilit y   an aly s is   an d   s u it ab le  d ec o d i n g   tech n iq u es.  M o r eo v e r ,   NOM ca n   b e   im p lem en ted   eith er   in   p o wer   d o m ain   o r   c o d e   d o m ai n .   Sin ce   we  a r ass o ciatin g   N OM with   C R ,   p o wer   d iv is io n   m u ltip le  ac ce s s   is   ex p lo r ed   in   th e   p r o p o s ed   wo r k .   Z h a n ji   et  a l.   [ 4 ]   h av b r ief ed   ab o u v ar io u s   ex is tin g   NO MA   tech n o lo g ies,  ch allen g es  f o r   f u t u r wir eles s   n etwo r k s .   I n   [ 5 ] ,   [ 6 ] ,   au th o r s   ha ve   r ev iewe d   p o ten tial  c h allen g es  in   p o wer   d o m ain   NOM wh ich   u s es  S C   at  th tr an s m itter   en d   an d   SIC  at  th r ec e p tio n   en d .   R ef er en ce   [ 7 ]   g i v es  th d if f er en t   p o wer   allo ca tio n   s tr a teg ies  f o r   NOM a p p licab le  t o   5 G   m o b ile   co m m u n icatio n s .   C R - NOM with   s im u ltan eo u s   wir eless   in f o r m a tio n   an d   p o wer   tr a n s f er   ( SW I PT )   is   s tu d ied   in   [ 8 ]   to war d s   t h m ax im izatio n   o f   en er g y   e f f icie n cy .   I n   th s u r v ey   liter atu r [ 9 ],   T h ak u r   et  a l.   h av p r esen ted   t h ex is tin g   c h allen g es  an d   g a p s   in   th in teg r atio n   o f   NOM with   co g n itiv r ad io   n etwo r k s .   Vae zi   et  a l.   [ 1 0 ]   h as   id en tifie d   an d   clar if ied   co m m o n   m y th s   ab o u NOM p er tain in g   to   p o wer   allo ca tio n   an d   d ec o d in g   o r d er   in   s u cc ess iv in ter f er en ce   ca n ce llatio n .   I n   co n v en tio n al  NOM [ 11 ] - [1 3 ] ,   h i g h est  p o wer   allo tted   to   th e   u s er   with   p o o r   ch an n el   co n d itio n   to   m ain tain   th f air n ess .   B u t in   C R - NOM A   u n d er lay   m o d el,   p o wer   allo ca tio n   s h o u ld   b d o n b ased   on  q u ality   o f   s er v ice  ( QOS )   r eq u ir em en ts   o f   th p r im ar y   n e two r k .   I n   in ter wea v e   m o d el,   we  n ee d   to   co n s id er   th QOS  r ates o f   all  th p ar tici p atin g   n etwo r k s .   C o n tr ib u tio n s   o f   o u r   wo r k   a r lis ted   h er e:     W h av p r o p o s ed   th p o s s ib le  C R - NOM f r am ewo r k s   f o r   u n d er lay   an d   i n ter wea v ap p r o ac h es.     An aly tical  ex p r ess io n s   ar o b tain ed   f o r   p o wer   allo ca ti o n   co ef f icien to   m a x im ize   th s ec o n d ar y   th r o u g h p u t,   p r o v id in g   in cu m b en t u s er s   with   m in im u m   r eq u i r ed   QOS  r ates.     T h is   wo r k   an aly s es  th p er f o r m an ce   NOM in   co g n itiv r ad io   n etwo r k   with   r esp ec to   th r o u g h p u an d   f air n ess   in   co m p ar is o n   with   N OM A.     T h e   r est  o f   th p ap er   is   p r esen ted   in   f o llo win g   way :   Un d er lay   an d   in te r wea v C R - NOM A   f r am ewo r k s   ar s h o w n   in   th s ec tio n   2 .   Su p er p o s itio n   co d in g   an d   in ter f e r en ce   ca n ce llatio n   f o r   C R - NOM is   also   d em o n s tr ated   in   th is   s ec tio n .   Ma th em atica m o d ellin g   is   d er iv ed   f o r   p o wer   allo ca tio n   s tr ateg y   f o r   b o th   f r am ewo r k   1   a n d   2 ,   wh ich   is   p r esen ted   in   th s ec tio n   3 .   Mo r eo v e r ,   we  h a v d er i v ed   t h o p tim al  v alu es  o f   p o wer   allo ca tio n   co ef f icien ts   to   m ax im ize  th e   th r o u g h p u o f   th s y s tem ,   co n s id er in g   th QOS  r eq u ir em en ts   o f   th p ar ticip atin g   n etwo r k s .   Simu latio n   an d   n u m er ical  r esu lts   ar p lo tted   in   th e   s ec tio n   4 .   C o n clu s io n   r em ar k s   ar g iv en   in   th s ec tio n   5 .       2.   CR - NO M SY ST E M   M O D E L     I n   th p r o p o s ed   m o d el,   C R - NOM is   r ep r esen ted   as  p o wer   d o m ain   NOM A,   th r o u g h   wh ich   QOS  r eq u ir em e n ts   o f   p r im a r y   u s er s   ca n   b e   s tr ictly   m et  a n d   th r o u g h p u t   o f   th e   s ec o n d a r y   u s er s   ca n   b e   in cr ea s ed   to   b est  p o s s ib le  ex ten t.  W h av d em o n s tr ated   two   C R - NOM f r am ewo r k s Un d er la y   C R - NOM m o d el  an d   in ter wea v C R - NOM m o d el.   I n   f r am ewo r k   1 ,   p o wer   allo ca tio n   f ac to r   is   o p r im ize d   to   m ax im ize   th e   s ec o n d ar y   n etwo r k   th r o u g h p u t.  I n   f r am ewo r k   2 ,   p o wer   a llo ca tio n   f ac to r   is   o p tim ized   to   s atis f y   th Qo r eq u ir em e n ts   o f   m u ltip le  s e co n d ar y   n etwo r k s .     2 . 1 .   F r a m ewo r k   1 :   Underla y   m o del     I n   th is   f r am ew o r k ,   s ec o n d a r y   u s er s   co ex is with   p r im a r y   u s er s   an d   p r o tectio n   to   p r im ar y   u s er s   is   p r o v id e d   b y   lim itin g   th e   in ter f er en ce   o f   s ec o n d ar y   u s er s   to   ce r tain   lev el.   Pre s u m p tio n s   f o r   f r am ew o r k   1   a r e:  i)   PU  an d   SU  b ase  s tatio n s   ar well  co o r d in ate d   an d   s itu ated   in   th n ea r b y   p lace s .   ii)  T r a n s m itter   is   eq u ip p e d   with   SC   an d   SIC  ca p ab ilit y .   iii)  B o th   p r im ar y   an d   s ec o n d a r y   u s er s   ar e q u ip p ed   with   SIC  ca p ab ilit y .   Fig u r e   d ep icts   th co ex is ten ce   o f   n   p r im ar y   u s er s   an d   n   s ec o n d a r y   u s er s   wh er NOM is   e m p lo y ed   to   s u p p o r t   s im u ltan eo u s   tr an s m is s io n .     2 . 2 .   F r a m ewo r k   2 :   I nte rwe a v m o del   Fra m ewo r k   2   is   d ev el o p ed   to   s u p p o r in ter wea v e   m o d e wh er ein   s p ec tr u m   wh ite  s p ac es  ar id en tifie d   th r o u g h   co o p er ativ e   s en s in g   an d   SU’ s   ar allo wed   to   tr an s m it  th eir   d ata  in   th id en tifie d   s lo ts .   T h is   f r am ewo r k   ( Fig u r 2 )   s u p p o r ts   th co e x is ten ce   o f   m u ltip l s ec o n d ar y   n etwo r k s .   Pre s u m p tio n s   f o r   f r am ewo r k   2   ar e:  i)   First   s p ec tr u m   h o les a r id en tifie d   u s in g   co o p e r ativ e   s en s in g ,   wh er f u s io n   ce n ter   m ak es th d ec is io n   an d   m ain tain s   th a v ailab ilit y   s tatu s   o f   s p ec tr u m   b a n d s ;   ii)   T r an s m itter   m u s b lo ca ted   a th e   f u s io n   ce n ter   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l Vo l.  19 ,   No .   4 Au g u s t 2 0 2 1 :    1 0 6 6   -   1 0 7 7   1068   an d   b ase   s tatio n s   o f   th s ec o n d ar y   n etwo r k s   ar lo ca ted   n ea r er   to   f u s io n   ce n ter ;   an d   iii)  S 1   an d   SU  2   b ase   s tatio n s   m u s b co o r d i n ated   to   p r o d u ce   s u p e r p o s itio n   c o d ed   s ig n al  at  th tr an s m itter   lo ca ted   in   th f u s io n   ce n ter .   I t m u s t b n o ted   th a t,  s p ec tr u m   h a n d - o f f   is   m an ag ed   b y   f u s io n   ce n ter .               Fig u r 1 .   C R - NOM u n d er la y   f r am ewo r k     Fig u r 2 .   C R - NOM in ter wea v f r am ewo r k       2 . 3 .        SC a nd   SI f o CR - NO M A   2 . 3 . 1 .   Do wnlin k   s ce na rio   T h d o wn lin k   s ce n ar io   a r e:   a.   C o d ed   in f o r m atio n   o f   B S1 an d   B S2   ar co m b in e d   at  FC   to   p r o d u ce   Su p e r p o s itio n   c o d ed   s ig n al.   b.   Po wer   allo ca tio n   is   d o n e   b ased   o n   th QOS  r eq u ir em e n ts   o f   n etwo r k   1   an d   2 .   c.   At  u s er 1 ,   u s er 2   s ig n al  is   d ec o d ed   f ir s t b y   c o n s id er in g   u s er 1 s   s ig n al  as in ter f er en ce   a n d   th e n   u s er 1 in f o r m atio n   is   ex tr ac ted   b y   s u b tr ac tin g   u s er 2   s ig n al  f r o m   th r ec eiv ed   s ig n al.   d.   At  u s er 2 ,   s ig n al  is   ex tr ac tin g   b y   co n s id er in g   u s er 1 s   s ig n al  as in ter f er en ce .     2 . 3 . 2 .   Uplin k   s ce na rio   T h up lin k   s ce n ar io   a r e:   a.   Mu ltip le  p r im ar y   a n d   s ec o n d a r y   u s er s   tr an s m it th eir   s ig n al  i n   th s am o r t h o g o n al  b lo c k   t o war d s   th f u s io n   ce n ter .   b.   Po wer   allo ca tio n   is   d o n e   in   th e   co n tr o lled   wa y   b ased   o n   th ei r   ch an n el  g ain .   c.   T h tr an s ce iv er   at  FC   r ec eiv es th s u p er im p o s ed   ( Yu )   s ig n al  o f   m u ltip le  u s er s .   d.   SIC is   ad o p ted   to   r ec o v er   th i n d iv id u al  s ig n als:     Ar r an g th e   u s er s   ac co r d i n g   to   th eir   r ec eiv ed   p o wer   i n   d esce n d in g   o r d er .     User 1   s ig n al  is   d ec o d ed   b y   co n s id er in g   all  o th e r   s ig n als as in ter f er en ce     Su b tr ac t th d ec o d ed   s ig n al  f r o m   th r ec eiv e d   s ig n al  ( Y u ) ,   y ield s   ( Y 1u ).     Dec o d u s er 2   s ig n al  f r o m   Y 1u  as d o n in   th e   p r e v io u s   s tep .     Pro ce s s   is   co n tin u ed   u n til th ex tr ac tio n   o f   all  u s er s   s ig n als.         3.   P O WE AL L O CA T I O O P T I M I Z AT I O N   Ou r   r esear ch   wo r k   em p h asis   o n   p r ac tical  im p lem en tatio n   o f   NOM in   co g n it iv r ad io   n etwo r k s   to   f ac ilit ate  th s im u ltan eo u s   tr a n s m is s io n   o f   p r im ar y   an d   s ec o n d ar y   u s er s   a n d   also   s elf - c o e x is ten ce   o f   m u ltip le   s ec o n d ar y   n etwo r k s .   NOM ca n   b e   im p lem en te d   in   m an y   way s   s u ch   as  p o wer   d o m ain ,   an d   co d e   d o m ain .   Sin ce   we  ar e   ad o p tin g   p o wer   d o m ain   NOM A,   th m ajo r   ch a llen g lies   in   th d is tr ib u tio n   o f   p o we r   am o n g   th e   u s er s .   I n   th p r o p o s ed   wo r k ,   we  h av p r esen te d   m ath em ati ca m o d elin g   o f   o p tim al  p o we r   allo ca tio n   f o r   b o th   f r am ewo r k   1   an d   f r a m ewo r k   2 .     3 . 1 .     P o wer   a llo ca t io n f o f ra m ewo rk  1   in do wnlin k   s ce na rio   Fra m ewo r k   1   is   d esig n ed   to   s u p p o r s im u ltan eo u s   tr an s m is s io n   o f   PU  n etwo r k   an d   SU  n etwo r k   in   u n d er lay   m o d e.   T h o b jectiv e   o f   th is   d esig n   is   to   m ax im ize  th th r o u g h p u o f   th s ec o n d a r y   n etwo r k   with o u t   d en y in g   th e   QOS  r eq u ir em e n ts   o f   p r im ar y   n etwo r k .   W h av s elec ted   th e   d o w n lin k   s ce n ar io   ( Fig u r 3 wh er ein   p r im a r y   n etwo r k   a n d   s ec o n d ar y   n etwo r k   b ase  s tatio n s   co o r d i n ate  with   f u s io n   ce n ter   ( tr an s m itter to   p r o d u c th s u p er p o s itio n   co d ed   s ig n al  [ 1 4 ] .   T h tr an s m itted   s ig n al  af ter   s u p er p o s itio n   co d in g   ca n   b e   r ep r esen ted   as ( 1 ) ;     =  + ̅                     ( 1 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l         A n   o p timiz ed   p o w er a llo ca tio n   a lg o r ith fo r   co g n itive  r a d i o   N OMA  co mmu n ica tio n   ( Ma d a n   H.   T. )   1069   x is   p r im ar y   b ase  s tatio n   s ig n al,   x s   is   s ec o n d ar y   b ase  s tatio n   s ig n al,   ρ   is   th to tal  tr an s m i SNR   an d   α + ̅ =1 ,   wh er α   is   th p o wer   allo ca tio n   co ef f icien t.           Fig u r 3 .   Fra m ewo r k   1   d o w n lin k   s ce n ar io   f o r   two   u s er s       3 . 1 . 1 .   Dec o din g   a t   prima ry   u s er s   T h r ec eiv ed   s ig n al  at  th p r im ar y   u s er s   is   th co m b in ed   s i g n al,   wh ich   ca n   b e x p r ess ed   as ( 2 ) ;     = +                                                                                                                                                                                                 ( 2 )     wh er e ,   h p   is   th ch an n el  g ain   b etwe en   p r im ar y   u s er   an d   tr a n s m itter .   W p   i s   th ad d itiv w h ite  Gau s s ian   n o is e   at  th p r im ar y   u s er .     = (  + ̅ ) +                 ( 3 )     Prim ar y   u s er   p er f o r m s   d ec o d in g   o f   SU’ s   s ig n al  f ir s b y   c o n s id er in g   PU’ s   s ig n al  as  in ter f er en ce   an d   th en   d ec o d es  its   o wn   s ig n al  b y   s u b tr ac tin g   SU’ s   s ig n al  f r o m   th r ec eiv ed   co m b in ed   s ig n al  [ 1 5 ] .   T h u s ,   SNR   f o r   d ec o d in g   SU’ s   s ig n al  at  PU is  g iv en   b y ;     = ̅ | | 2 1 +  | | 2 = ̅ 1 +                    ( 4 )     Sig n al  f r o m   SU  d o es  n o in t er f er with   p r im a r y   u s er   s ig n al,   s o   t h r esu ltan t   s ig n al  y p   af ter   s u b tr ac tin g   d ec o d ed   SU’ s   s ig n al  f r o m   th e   r ec eiv ed   s ig n al  is ;     = (  ) +                 ( 5 )     At  th p r im ar y   u s er s   s id e,   r es u ltan t SNR   f o r   d ec o d i n g   PU’ s   s ig n al  is ;     =  | | 2 =                  ( 6 )     T h er ef o r e,   th m a x im u m   ac h i ev ab le  th r o u g h p u t f o r   p r im ar y   u s er   ca n   b e   f o r m u lated   as ;     = l og 2 ( 1 + ) = l og 2 ( 1 +  )                 ( 7 )     3 . 1 . 2 .   Dec o din g   a t   s ec o nd a ry   us er s   T h r ec eiv ed   s u p er p o s itio n   co d ed   s ig n al  at  th s ec o n d ar y   u s er   is   wr itten   as ;     = (  + ̅ ) +               ( 8 )     I m u s b n o ted   th at,   SIC  o r d er   n ee d   n o to   b d ep en d e n o n   am o u n o f   p o wer   allo ca ted   to   u s er   [ 1 0 ] .   Seco n d ar y   u s er s   d ec o d th eir   s ig n al  b y   co n s id er i n g   PU’ s   s ig n al  as  in ter f er en ce .   Du e   to   th is ,   s ig n al  f r o m   p r im ar y   n etwo r k   ac ts   as  n o is e/in ter f er en ce   f o r   s ec o n d ar y   n etwo r k   s ig n al.   T h u s ,   SNR   f o r   d ec o d in g   SU’ s   s ig n al  at  s ec o n d ar y   u s er   s id c an   b ex p r ess ed   as ;   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l Vo l.  19 ,   No .   4 Au g u s t 2 0 2 1 :    1 0 6 6   -   1 0 7 7   1070   = ̅ | | 2 1 +  | | 2 = ̅ 1 +                  ( 9 )     T h er ef o r e,   th m a x im u m   ac h i ev ab le  th r o u g h p u t f o r   s ec o n d a r y   u s er s   in   d o wn lin k   s ce n ar i o   is ;     = l og 2 ( 1 + ) = l og 2 ( 1 + ̅ 1 +  )             ( 1 0 )     T h to tal  ca p ac ity   o f   d o wn lin k   C R - NOM f o r   f r am ewo r k   1   ca n   b f o r m u lated   as ;     = l og 2 ( 1 +  ) + l og 2 ( 1 + ̅ 1 +  )             ( 1 1 )     3 . 1 . 3 .     O ptim iza t io n o f   po we a llo ca t io n c o e f f icient   ( α )   f o f ra m ewo rk   1   C o n v en tio n ally   NOM allo ca tes  m o r p o wer   to   th e   u s er s   with   p o o r   ch an n el  co n d itio n s .   I t   s h o u ld   b e   n o ted   th at,   p o wer   allo ca tio n   n ee d   n o to   b d ep en d en o n ly   o n   ch an n el  g ain ,   it  d e p en d s   th tar g eted   o b jectiv e.   I n   f r am ew o r k   1 ,   th g o al  is   to   in cr ea s th th r o u g h p u o f   th s ec o n d ar y   n etwo r k   p r o tectin g   th QOS   r eq u ir em e n ts   o f   th p r im ar y   n etwo r k .   T h u s ,   th p r o b lem   ca n   b d ef in e d   as:     α =   ( )   .         > ̅ ̅ ̅ ̅                                   ( 1 2 )     wh er e ̅ ̅ ̅ ̅   is   th m in im u m   QOS  r ate  r eq u i r ed   f o r   p r im ar y   n et wo r k .   T o   s atis f y   th e   ab o v co n s tr ain t,  we  m u s t   h av e:     l og 2 ( 1 +  ) ̅ ̅ ̅ ̅                   ( 1 3 )     T h p o wer   allo ca tio n   co e f f icie n α  m u s t b e ;     2 ̅ ̅ ̅ ̅ ̅   1     ̿   , whe r e       ̿ = 2 ̅ ̅ ̅ ̅   1             ( 1 4 )     = ̿   ( 1 4 )   is   th e   m in im u m   p o we r   th at  m u s b allo ca te d   to   p r im ar y   s ig n al  to   m ain tain   i ts   QOS   r eq u ir em e n ts .   T o   s atis f y   th to tal  p o wer   co n s tr ain ( 1 ) ,   we  m u s t w r ite ;     ̅ = 1 = 1 ̿                 ( 1 5 )     ̅  = 1 ̿   ( 1 5 )   is   th e   m a x im u m   p o wer   t h at  ca n   b e   allo ca ted   t o   s ec o n d ar y   n etwo r k   an d   it  is   th e   o p tim al  v alu o f   p o wer   at  wh ich   s ec o n d ar y   n etwo r k   g ets  m ax im u m   th r o u g h p u m ee tin g   th Q OS  r eq u ir em en ts   o f   p r im ar y   u s er   n etwo r k .   Gen er a lly   s ec o n d ar y   u s er s   r eq u i r less   d ata  r ate  co m p ar ed   to   th p r im ar y   u s er s ,   it  is   p r ac tical  to   o p e r ate  p r im ar y   an d   s ec o n d ar y   u s er s   in   th s am o r th o g o n al  b l o ck .     3 . 2 .     P o wer   a llo ca t io n f o f ra m ewo rk   2   in do wnlin k   s ce na rio   Fra m ewo r k   2   d ep icts   th c o ex is ten ce   o f   two   s ec o n d ar y   m u lticast   n etwo r k s ,   wh er i n   p r im ar y   n etwo r k   ca n   tr an s m it  in f o r m at io n   with o u an y   in ter f e r en ce   a n d   s ec o n d ar y   n etwo r k s   m u s tr an s m it  in   th f r ee   s lo ts .   Fig u r e   4   s h o ws  th t i m e   f r am wh er s lo t1   in d ica tes  th PU   b u s y   s tate  an d   s l o t3   ca n   b u s ed   f o r   s ec o n d ar y   c o m m u n icatio n .   Sp ec tr u m   wh ites p ac es  ar e   id e n tifie d   u s in g   co o p er ativ s en s in g   [ 1 6] [ 1 7 ]   an d   f u s io n   ce n ter   m ain tain s   th e   d atab ase  o n   av ailab le   s p ec tr u m   b an d s .   Sam e   f u s io n   ce n ter   u s ed   f o r   co o p er ativ e   s en s in g   ca n   b u s ed   to   tr an s m i t th s u p er p o s itio n   co d ed   s ig n al  o f   s ec o n d a r y   n etwo r k s .           Fig u r 4 .   T im e   Fra m e - in ter we av e   s p ec tr u m   s h ar i n g   in   c o g n it iv r ad io   n etwo r k s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l         A n   o p timiz ed   p o w er a llo ca tio n   a lg o r ith fo r   co g n itive  r a d i o   N OMA  co mmu n ica tio n   ( Ma d a n   H.   T. )   1071   T h co d e d   in f o r m atio n   o f   tw o   s ec o n d ar y   b ase  s tatio n s   ar e   ad d ed   u p   to   p r o d u ce   SC   s ig n al  at  th tr an s m itter   lo ca ted   in   th f u s io n   ce n ter   ( Fig u r 5 ) .   T h s u p er p o s itio n   co d ed   s ig n al  at  th e   tr an s m itter   ca n   b e   m o d elled   as ;     =  1 + ̅ 2                 ( 1 6 )     wh er e ,   x s1   is   s ec o n d ar y   n etw o r k 1   ( SN1 )   b ase  s tatio n   s ig n al,   x s2   is   s ec o n d a r y   n etwo r k 2   ( SN2 )   b ase   s tatio n   s ig n al  an d   p o wer   co n s tr ain α + ̅ =1 .     T h r ec eiv ed   s ig n al  at  th u s er s   o f   s ec o n d ar y   n etwo r k 1   ca n   b wr itten   as ;     1 = 1 (  1 + ̅ 2 ) + 1             ( 1 7 )     wh er e ,   h s1   is   th c h an n el   g ain   b etwe en   SN1   u s er   an d   tr an s m itter .   W s1   is   th ad d itiv e   wh ite   Gau s s ian   n o is at  th SN1   u s er .   At  SN1   u s er ,   f i r s SN2   s ig n al  is   d ec o d ed   an d   th en   SN1   s ig n al  is   ex tr ac ted   b y   s u b tr ac tin g   SN2   s ig n al  f r o m   th r ec eiv ed   s ig n a l.  T h u s ,   d ec o d in g   o f   SN1   s ig n al  d o es n o t f ac th in ter f er en ce   f r o m   SN2   s ig n al.   C o r r esp o n d in g   SNR   is   g iv en   b y ;     1 =  | 1 | 2 =  1                 ( 1 8 )     T h ac h iev ab le  d ata  r ate  f o r   S N1   ca n   b ca lc u lated   b y ;     1 = l og 2 ( 1 +  1 )               ( 1 9 )           Fig u r 5 .   Fra m ewo r k   2   d o w n lin k   s ce n ar io   f o r   two   u s er s       T h r ec eiv ed   s ig n al  at  th u s er s   o f   s ec o n d ar y   n etwo r k 2   ca n   b wr itten   as ;     2 = 2 (  1 + ̅ 2 ) + 2             ( 2 0 )     wh er e ,   h s2   is   th c h an n el   g ain   b etwe en   SN2   u s er   an d   tr an s m itter .   W s2   is   th ad d itiv e   wh ite   Gau s s ian   n o is at  th SN2   u s er .   At  th e   SN2   u s e r ,   in f o r m atio n   is   d ec o d e d   d ir e ctly   f r o m   SC   s ig n al  b y   c o n s id er in g   SN1   s ig n al  as   in ter f er en ce .   T h u s ,   co r r esp o n d in g   SNR   ca n   b wr itt en   as ;     2 = ̅ | 2 | 2 1 +  | 2 | 2 = ̅ 2 1 +  2                 ( 2 1 )     T h ac h iev ab le  d ata  r ate  f o r   S N2   ca n   b d eter m in ed   b y ;     2 = l og 2 ( 1 + ̅ 2 1 +  2 )               ( 2 2 )     T h to tal  ca p ac ity   o f   d o wn lin k   C R - NOM f o r   f r am ewo r k   2   ca n   b f o r m u lated   as ;     = l og 2 ( 1 +  1 ) + l og 2 ( 1 + ̅ 2 1 +  2 )             ( 2 3 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l Vo l.  19 ,   No .   4 Au g u s t 2 0 2 1 :    1 0 6 6   -   1 0 7 7   1072   3 . 2 . 1 .     O ptim iza t io n o f   po we a llo ca t io n c o e f f icient   ( α )   f o f ra m ewo rk   2   I n   th co ex is ten ce   o f   two   s ec o n d ar y   n etwo r k s ,   it  is   im p o r tan to   m ee th QOS  r eq u ir em en ts   o f   b o th   th n etwo r k s .   Say , 1 ̅ ̅ ̅ ̅ 2 ̅ ̅ ̅ ̅   ar th m in im u m   QOS  r ates  r eq u ir ed   f o r   SN1   an d   SN2   r esp ec tiv ely .   W m u s t   f in d   th o p tim al  v alu o f   p o wer   allo ca tio n   co ef f icien to   m ee th r eq u i r em en ts   o f   th p ar ticip atin g     n etwo r k s   [ 1 8 ] .       =    ( )                                                       .         1 1 ̅ ̅ ̅ ̅           &   2 2 ̅ ̅ ̅ ̅                       ( 2 4 )     T o   s atis f y   th ab o v co n d itio n s ,   we  m u s t h av e ;       l og 2 ( 1 +  1 ) 1 ̅ ̅ ̅ ̅                 ( 2 5 )       l og 2 ( 1 + ̅ 2 1 +  2 ) 2 ̅ ̅ ̅ ̅                     ( 2 6 )     T h s im p lific atio n   o f   th ab o v th ( 2 5 )   an d   ( 2 6 ) ,   y iel d s   to       2 1 ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅   1 1     ̿ 1 1                 ( 2 7 )     wh er e ̿ 1   = 2 1 ̅ ̅ ̅ ̅ ̅   1   an d   ( 2 7 )   g i v es  th e   m in im u m   v alu e   o f   α  r e q u ir ed   to   s atis f y   th QOS  o f   s ec o n d ar y   n etwo r k 1 .     2 ̿ 2 2 ( 1 + ̿ 2 )                   ( 2 8 )     h er e ̿ 2   = 2 2 ̅ ̅ ̅ ̅ ̅   1    an d   ( 2 8 )   g iv es  th m ax im u m   v alu o f   α  r eq u ir e d   to   s atis f y   th QOS   o f   s ec o n d ar y   n etwo r k 2 .   Fro m   ( 2 7 )   a n d   ( 2 8 ) ,   o p tim al  v alu o f   α  r eq u ir e d   to   m ee th QOS  r ate s   1 ̅ ̅ ̅ ̅   an d   2 ̅ ̅ ̅ ̅   lies   in   th in ter v al  ( 2 9 ) .     ̿ 1 1 2 ̿ 2 2 ( 1 + ̿ 2 )                 ( 2 9 )     B y   ex am in in g   ex p r ess io n   ( 2 3 )   an d   ( 2 9 )   in   ca s o f   | 1 | | 2 | ,   it  ca n   b co n clu d ed   t h at  th m a x im u m   th r o u g h p u o cc u r s   at  m a x im u m   v alu o f   α   ( 2 8 ) .      = 2 ̿ 2 2 ( 1 + ̿ 2 )                   ( 3 0 )     Alg o r ith m   1 :   Po wer   all o ca tio n   alg o r ith m   to   m ax im ize  o v er al l th r o u g h p u t     Inputs:   | | , | | , | 1 | , | 2 | , and  ̅ ̅ ̅ ̅ ,   ̅ ̅ ̅ 1 ̅ ̅ ̅ ̅ 2 ̅ ̅ ̅ ̅   Initialization:   Framework1 R1 =  R P ̅ ̅ ̅ ̅ ; R2 =  R s ̅ ̅ ̅   Framework2 R1 =  R s1 ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ; R2 =  R s2 ̅ ̅ ̅ ̅ ̅   Constraint: (R1 + R2) < R Total   Calculation of power allocation coefficient:   Framework1    = 1 ̿ | | 2   Framework2     Find   1 = 2 1 ̅ ̅ ̅ ̅   1 | 1 | 2     Find   2 = | 2 | 2 ̿ 2 | 2 | 2 ( 1 + ̿ 2 )     where  ̿ 2   = 2 R 2 1      =  ( 1 , 2 )      =  ( 1 , 2 )   if ( | 1 | > | 2 | )      =    else                     =      Maximum overall throughput satisfying the QOS constraint:   = lo g 2 ( 1 +  1 ) + lo g 2 ( 1 +  ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ 2 1 +  2 )           where  1 = | 1 | 2 2 = | 2 | 2   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l         A n   o p timiz ed   p o w er a llo ca tio n   a lg o r ith fo r   co g n itive  r a d i o   N OMA  co mmu n ica tio n   ( Ma d a n   H.   T. )   1073   3 . 3 .     Cha nn el  m o dellin g   a nd   o uta g pro ba bil it y   a na ly s is   If  ch a n n el   c o n d itio n   o f   th e   u s er   is   n o t   ab le  to   s u p p o r t h d e s ir ed   r ate,   th e n   th e r will  b e   o u tag e.   I t   is   n o alwa y s   p o s s ib le  to   s u p p o r t   th d esire d   Qo b ec au s o f   f ad in g   ch a n n el.   W h a v tak en   u n d er la y   co g n itiv e   r ad io   c o m m u n ic atio n   f o r   d o w n lin k   o u tag e   p r o b ab ilit y   an aly s is .   R P ̅ ̅ ̅ ̅   an d   R s ̅ ̅ ̅   ar th e   m in im u m   r at es  r eq u ir e d   f o r   p r im ar y   a n d   s ec o n d ar y   n etwo r k s ,   r esp ec tiv ely .     Pro b ab ilit y   o f   o u tag e   co r r esp o n d in g   t o   p r im a r y   n etwo r k   u s er   is :     P  = P ( C p x s < R s ̅ ̅ ̅       C p x p < R p ̅ ̅ ̅ ̅   )               ( 3 1 )     wh er C p x     is   ac h iev ab le  ca p ac ity   o f   th PU f o r   d ec o d in g   t h s ig n al  x .   T h is   f ir s t c o n d itio n   s ay s ,   o u tag o cc u r s   wh en :     C p x s = l og 2 ( 1 + α ̅ ρ β p 1 + αρ β p ) < R s ̅ ̅ ̅                   ( 3 2 )     T h e   s ec o n d   c o n d itio n   th at  m a y   lead   to   p r im ar y   u s er   o u tag i s :     C p x p = l og 2 ( 1 + αρ β P ) < R p ̅ ̅ ̅ ̅                 ( 3 3 )     W ass u m ch an n el  g ain   | h |   as R ay leig h   f ad in g   co ef f icien t,  t h en   = | h | 2   will b ex p o n e n tially   d i s tr ib u ted .   Fo r   R ay leig h   f ad in g   Mo d el:      β=| h | 2 , δ 2 =E {β}.   Prim ar y   u s er   o u tag o cc u r s   wh en   t h ch an n el  co ef f icien t:     β <  {     R ̿ P ρα     , R ̿ S ρ (   α ̅ α R ̿ S )     }                     ( 3 4 )     P o ut ag e = 1 e xp ( 1 δ 2   ma x {     R ̿ P ρα     , R ̿ S ρ (   α ̅ α R ̿ S )     } )             ( 3 5 )     3 . 4 .     P r a ct ica l c ha lleng es in t he  CR - NO M im plem ent a t io n   T h en er g y   ef f icien c y   o f   C R - NOM tech n iq u r elies  o n   th o p tim al  p o wer   allo ca tio n ,   wh ich   r eq u ir es  e x ac in f o r m atio n   o n   th d o wn lin k   ch an n el  co ef f icien ts .   Han d lin g   im p er f ec C SI  i s   th b ig g est   ch allen g in   th im p lem en ta tio n   o f   C R - NOM A.   F u tu r wir eless   n etwo r k s   m u s s u p p o r h eter o g e n eo u s   d ev ices  with   d if f er en lev els  o f   QOS  r eq u ir em en ts .   T h u s ,   m ee tin g   th QOS  r eq u ir em en ts   o f   s ec o n d ar y   n etwo r k s   with o u ca u s in g   h ar m f u in ter f er en ce   to   th p r im ar y   u s er s   is   an o th er   m ajo r   ch allen g [ 1 9 ] .   CR - NOM tech n o lo g y   d e m an d s   f o r   SC   an d   SIC  ca p ab ilit ies  f o r   b ase  s tatio n   an d   SIC  ca p ab ilit y   f o r   u s er s ,   p r o v id i n g   t h ese  p r e r eq u is ites   is   th p r im a r y   ch allen g e   in   th im p lem e n tatio n .   Gen er atio n   o f   s u p e r p o s itio n   co d ed   s ig n al  at  th e   tr an s m itter   r eq u ir es p r o p er   s y n ch r o n izati o n   o f   p r im ar y   an d   s ec o n d a r y   b ase  s tatio n s .   I n   C R - NOM in ter wea v m o d el,   u s er s   o f   s ec o n d ar y   n etwo r k s   m u s co o p er ate  with   FC   to   id en tify   th s p ec t r u m   wh ites p ac es.  Sp ec tr u m   h an d o f f   is   also   cr u cial  in   o v er lay   m o d el - s h if tin g   th ch a n n el   d y n am ically   an d   ad ju s tin g   th e   p o wer   allo ca tio n   ac co r d in g ly .   T h u s ,   d y n am ic  p o wer   allo ca tio n   c o n s id er in g   th e   s p ec tr u m   h an d o f f   is   p o ten ti al  ch allen g e.   An o th er   c h allen g is   to   id en tify   t h s u itab le  c o d in g   a n d   d ec o d in g   tech n iq u es to   im p lem en t SC   an d   SIC c o n s id er in g   th p r iv ac y   an d   s ec u r ity   asp ec ts .   T h r eg u lato r y   p o licies f o r   CR - NOM n ee d s   to   b s tan d a r d ized   to   s u p p o r t CR   s tan d ar d s   an d   NOM co n v en tio n s .   W h en   th er a r lar g e n u m b er   o f   s ec o n d ar y   n etwo r k s   /u s er s   p ar ticip ate,   th en   we  h av to   ad o p d y n am ic  u s er   g r o u p in g   a n d   p o wer   allo ca tio n   f o r   NOM with   s u cc ess iv in ter f er en ce   ca n ce lla tio n   ( SIC)  in   d o wn   lin k   s y s tem s .   I is   two - s tep   m eth o d o l o g y   t h at  co m p r is es  o f   u s er   g r o u p in g   f o llo wed   b y   o p tim ized   p o we r   allo ca ti o n   f o r   ea ch   g r o u p   co n s id er in g   tr a n s m itted   p o wer ,   ex p ec ted   d ata  r ate.   I n   NOM A,   m u ltip le  ac ce s s   is   p er f o r m e d   in   p o wer   d o m ai n ,   s m all  v ar iatio n   in   th ch an n el  g ain   o r   s u d d en   in cr ea s e   in   th n u m b er   o f   u s er s   af f e cts  th th r o u g h p u p er f o r m an ce .   T o   o v er c o m th ese  in h er en t   p r o b lem s ,   h y b r id   c o m b in atio n   ( Fig u r e   6 )   o f   NOM an d     OM [ 2 0 ] [ 2 1 ]   ca n   b e   u s ed   to   d eter m in th e   b est  p atter n   b ased   o n   t h s y s tem   ca p ac ity .   I n   C R - NOM A   Par ad ig m ,   h y b r id   co m b i n atio n   o f   u n d er lay   an d   i n ter wea v s h a r in g   is   also   p o s s ib le.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l Vo l.  19 ,   No .   4 Au g u s t 2 0 2 1 :    1 0 6 6   -   1 0 7 7   1074       Fig u r 6 .   Hy b r id   M u ltip le  ac ce s s co m b in atio n   o f   NOM a n d   OM A       4.   SI M UL A T I O R E S UL T S   T o   v alid ate  th p r o p o s ed   m at h em atica m o d els,  we  h a v co n d u cted   s im u latio n   ex p e r im en ts   o n   C R - NOM in   d o wn lin k   s ce n ar io   f o r   b o th   f r am ewo r k   1   an d   2 .   Simu latio n   en v ir o n m en is   s etu p   b y   ass u m in g   n ec ess ar y   v alu es  ac co r d in g   t o   I E E E   8 0 2 . 2 2   s tan d ar d s   [ 2 2 ] [ 2 3 ]   an d   5 co n v en tio n s   [ 24] [ 2 5 ] .   First,  we  ca lcu lated   th ac h iev ab le  d ata   r ates  R p   an d   R s   f o r   co n tin u o u s   v alu es  o f   α   ( p o wer   allo ca tio n   co ef f icie n t)   an d   s am is   p lo tted   in   Fig u r 7   ( a ) = 0   in d icate s   n o   p o wer   is   allo c ated   to   p r im ar y   u s er ,   h en ce   s e co n d ar y   u s er   d ate  r ate  is   at  its   m ax im u m .   As  α   in cr ea s es,  p o wer   all o ca tio n   will  b d is tr ib u ted   a m o n g   p r im ar y   an d   s ec o n d ar y   u s er s ,   co r r esp o n d i n g ly   d ata  r ates  also   v ar y   as  s h o wn   in   Fig u r 7 .   At  p ar ticu l ar   v alu o f   α ,   b o t h   p r im ar y   an d   s ec o n d a r y   u s er   p o s s ess es  th s am th r o u g h p u t.  Fra m ewo r k   1   d ep icts   th s im u ltan eo u s   tr an s m is s io n   o f   p r im ar y   a n d   s ec o n d ar y   n e two r k   u s er s ,   co n s tr ain is   to   m ain tain   th m in im u m   QOS  r eq u ir em e n ts   o f   th e   p r im a r y   n etwo r k   u s er .   Fig u r e   7   s h o ws  th m in im u m   v alu e   o f   α   a wh ich   s ec o n d a r y   n etwo r k   u s er   g ets  m ax im u m   t h r o u g h p u b y   p r o v id in g   t h r e q u ir ed   QOS  r ate  ( ̅ ̅ ̅ ̅ )   f o r   p r im ar y   n etwo r k   u s e r s .   Fra m ewo r k   2   co m p r is es  th co ex is ten ce   o f   m u ltip le  s ec o n d ar y   n etwo r k s ,   it  is   n ec ess ar y   to   p r o v id th e   m in im u m   QOS  r ates b o th   t h s ec o n d ar y   n etwo r k s   ( SN1 an d   SN2 ) .   Fig u r e   7   ( b )   s h o ws  th at,   an y   v alu o f   α   in   th in ter v al  ( α mi n ,   α max )   s atis f y   th m in im u m   QO r ate s   1 ̅ ̅ ̅ ̅   an d   2 ̅ ̅ ̅ ̅   g iv en   b y   th s ec o n d ar y   n etwo r k s .   Fro m   ex p r ess io n   ( 2 3 )   an d   Fig u r 7   ( b ) ,   it  ca n   b s tated   th at  m ax im u m   o v er all  ca p ac ity   ( R max )   is   ac h iev ab le  at  α α max.   T h s im u latio n   r esu lts   ar p er f e ctly   m atch in g   with   th p r o p o s ed   m ath e m atica m o d els  an d   ca lcu latio n s .   I n   o r t h o g o n al  m u ltip le  ac ce s s   tech n iq u es  ( C R - OM A) ,   to tal  av ailab le  b an d wid th   is   d iv id ed   am o n g   th u s er s ,   h o wev er   in   C R - NOM A,   co m p lete  b an d wid t h   is   ass ig n ed   to   b o th   th e   u s er   ( Fi g u r 8   ( a ) ) .   D u to   th is ,   it  c an   b ap p ar en tly   m e n tio n ed   th at  th er is   h u g e   im p r o v em e n in   th e   th r o u g h p u o f   u s er 2   in   co m p ar is o n   with   C R - OM A.   I ca n   also   b in ter p r eted   f r o m     Fig u r 8   ( b )   th at,   C R - NOM p er f o r m s   ev en   m u ch   b etter   wh en   th d ef e r en ce   h d1 - h d2   is   m o r e.             ( a)     ( b )     Fig u r 7 .   Do w n lin k   d ata  r ates d is tr ib u tio n   am o n g   th e   u s er s ( a)   u n d e r lay ,   ( b )   in ter wea v s h ar in g   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l         A n   o p timiz ed   p o w er a llo ca tio n   a lg o r ith fo r   co g n itive  r a d i o   N OMA  co mmu n ica tio n   ( Ma d a n   H.   T. )   1075       ( a)     ( b )     Fig u r 8 .   Ov e r all  th r o u g h p u t c o m p ar is o n   o f   C R - NOM v s   C R - OM A ( a)   | h d1 | = | h d2 | ( b )   | h d1 | >> | h d2 |       T h C R - NOM s u m   ca p ac ity   is   v er y   h ig h   c o m p ar e d   to   th e   s u m   d ata   r ates  o f   C R - OM d u to   th e   ab o v e - m e n tio n ed   r ea s o n s .   T h p lo o f   to tal  ca p ac ity   ( 2 3 )   v er s u s   p o wer   allo ca tio n   co ef f i cien α   is   s h o wn   in   Fig u r 9 .   I is   o b s er v ed   th at  to tal  ca p ac ity   is   m ax im ized   wh en   m o r p o wer   i s   allo ca ted   to   th ch an n el  with   m o r g ain   ( Alg o r ith m 1 ) .   Hen ce   it  is   m o r s ig n if ican to   f in d   th o p tim al  v alu o f   α   to   m ee th tar g eted   o b jectiv es.  Fig u r 1 0   s h o ws  th o u tag p r o b a b ilit ies  o f   PU  an d   SU  f o r   o p tim ized   C R - NOM A,   wh er ein   p o wer   is   allo ca ted   b as ed   o n   th r eq u ir ed   Qo r ate  an d   ch an n el  co n d itio n s .   T h ab o v s im u latio n s   wer ca r r ied   o u t   b y   k ee p i n g   f ix e d   Qo r a tes  an d   ch an g in g   o n ly   p o wer   allo ca tio n   co e f f icien ts .   On   co m p a r is o n     ( Fig u r es   10  ( a )   an d   ( b ) ) ,   it  ca n   b clea r ly   s ee n   th at  o u tag p r o b ab ilit y   o f   PU  h as  b ee n   g r ea tly   r ed u ce d   b y   ad o p tin g   Qo b ased   p o wer   all o ca tio n   tech n iq u e   with o u t   af f ec tin g   th e   s ec o n d ar y   u s er   p e r f o r m an ce .   Fro m   th e   o b tain ed   r esu lts   an d   o b s er v ati o n s   m ad e,   it  ca n   b co n clu d ed   th at  th co m b i n atio n   o f   co g n i tiv r ad io   ( C R )   an d   No n   o r th o g o n al   m u ltip le   ac c ess   ( NOM A)   b r in g s   g o o d   im p ac o n   s p ec tr u m   e f f icien c y   an d   e n s u r es  th at   s ec o n d ar y   u s er   is   s er v ed   with   f air n ess .             Fig u r 9 .   Net  th r o u g h p u o f   o p tim ized   CR - NOM f o r   d if f er en t SNR   v alu es   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.