Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er  En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l.   10 ,  No.   3 June   2020 ,  pp. 3 116~ 3124   IS S N: 20 88 - 8708 DOI: 10 .11 591/ ijece . v10 i 3 . pp3116 - 31 24          3116       Journ al h om e page http: // ij ece.i aesc or e.c om/i nd ex .ph p/IJ ECE   Coopera tive - hyb rid  det ection of p rimary u ser emul ators in  cognitiv e r adio n etworks       S. A. Ade bo,  E. N .  O nwuka , A.  U.   Usm an, and  A. J . On uma n yi    Depa rtment  o T el e comm unic at i on  Engi n ee ring ,   Feder al Unive rsi t y   of Te chnol og y ,   Niger ia       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   Ma r 8 , 2 019   Re vised  N ov 29 ,   2019   Accepte Dec  10, 201 9     Prim ar y   user  e m ula tor  (PU E)  at t ac oc cur in  Cognit ive   Rad i Networks   (CRNs when  m al ic ious  sec on dar y   user  (SU poses  as  primary   user  (PU in  orde to  depr i ve  othe l egi t imate   SU the   righ to  fre spe ct ra l   ac c ess  for   opportuni stic   co m m unic at ion.   In   m o st  ca ses,  the se  le gi ti m at SU are   unable  to  eff e ct iv ely   de te c PU Es  bec au se  the   qualit y   of   the   signal re ceive from     PU m a y   be   seve re l y   a tt enu at ed  b y   ch anne l   fad ing  and/ or  shadowing .   Consequent l y ,   i thi pap er,  we  hav inv esti g at ed   the  use  of   coope r a tiv e   spec trum  sensing  (CSS to  improve  PU detec t ion  base d   o h y bri d   loc a li z at ion   sche m e.   W consid e red   diff ere n pa i rs  of  sec onda r y   users  (SU s)   over   diffe ren re ce iv ed  signal   str engt (RSS val ues  to  eva luate  the   ene r g y   eff iciency ,   accu racy ,   and   spee d   o th new  co oper ative  sch eme.   B ase on   computer   sim ula ti ons,  our  f indings   suggest  tha t   PU ca be   eff ectiv e l y   det e ct ed  b y   pa ir  of  SUs  with  low  Root  Mea Square   Err or  rate  of  0. 0047  eve though  thes SUs  m a y   hav cl ose  RS val ues  withi the   sam cl ust er.  Furthermore,   ou sche m per for m s be tt er  in   te rm s of  spee d,   accur acy   and  low   ene rg y   consum pti on  rates  when  compare with  othe PU det e ction   sche m es.   Thus,   i is  v ia bl prop ositi on  to   be tt e r detect  PU Es  in CRN s.   Ke yw or d s :   Cl us te r   Hybr i   Pr im ary us er e m ula tor    Seco nd a ry  us er s   Sp ect r um  sen sing      Copyright   ©   202 0   Instit ut o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e   Al l   rights re serv ed .   Corres pond in Aut h or :   S. A. A debo,    Dep a rtm ent o f Te le com m un icati on  E nginee ring ,   Fede ral U niv e r sit y of   Tec h no l og y,     Mi nn a,  N i ger ia .   Em a il adeb os a m uel@ya ho o. c om       1.   INTROD U CTION   Cognit ive  Ra di (CR)   is  a i ntell igent  ra di that  aut om atical ly   detect fr ee  c hannels  ( cal le w hite  sp aces  or   s pec trum   ho le s)  a nd  cha nges  it transcei ver   pa r a m et ers  to  tra ns m it   op portu nisit ic al ly   ov er   these  wh it s paces,   wh il vacati ng  occ up ie c hannels  to   preve nt   interfe re nce  to   existi ng  pri m a ry  us e rs  (PUs)  [1 - 5] .   PU   ref e rs  to   the  li censed   owne of  the  s pe ct ru m   (o cha nn el w hile  we   ref er  to  network   of   CR   node as     CR   netw ork  (CRN) CR Ns   pro vid se vera ben e fits  to  wireless  com m unic at ion   s uch   a s   i m pr oved   qual it of   serv ic by  usi ng   f ree  cha nne ls,  longer  tra nsm issi on   range  ov e lo wer   f re qu e ncy  ba nds,  and   im pr ove  sp ect ra  util iz at ion   [6 ] Nev e rtheless si m i la to  oth er  wireless  com m un ic at io net w orks,   CR Ns  a r al so   su sce ptible  to  secur it y chall e ng e [ 7].     m ajo sec uri ty   chall eng in  CR Ns  is  the   Pr im ary  User   Em ulator  (PUE)  at ta ck P UE  re fers  t   sit uation  in  wh ic m a li cio us   sec onda ry  us er  (SU)  or  CR   us er  fei gn as  le gitim a te  PU   in  orde to  de ny   oth e le gitim ate  SU in  t he  CR acce ss  to  net work   res ources,  le a ding  to  den ia of   serv ic or   ne twork   flo od i ng   [8 ] I is  therefore  per ti ne nt  f or   l egitim at SU to  detect   pot entia PU Es  t pre ven the m   fr om  unde rm ining   the  e ntire  CR N.   It  is  t he  quest   to   de velo e ff ect ive   P UE  detect ion  m et ho ds  that  m ot ivate   the  sc hem pr opose in  t his  pa per.  T reali ze  our   quest ,   we   co ns ide re the   proces of  s pe ct ru m   sensing  (S S ) ,   wh ic is  pi vo ta to  the  su cces s   of   CR   te ch nolog y.  SS  deter m ines  wh et her   wh it es paces  ex ist   or   not  in  s ense sp ect ra  [9,  10] SS  is  al so   a esse ntial   too to  determ ine  wh et her   P U exists  or  not   in  CR N.   It  achieves   this  by  al lowin S Us  to  loc al iz po te ntial   PU an to   com par the  PU E ’s  locat io with  the  loc at ion   of     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g     IS S N: 20 88 - 8708       Cooper ative - hy br id  d et ect io n of  pr im ar us e r emulat or s i n   cogniti ve ra dio netw or k ( S. A . A debo )   3117   the  le gitim at PU If   discre pa ncies  exist  be tween  the  l oca ti on   of  the  PUE  an d   the  le git   PU t hen   P UE  is  consi der e to  hav e   been  suc cessf ully   detect ed  by  an   S and  the   bas st at ion   ca ea sil procee t is olate   it   from   the  network  [ 11] H owe ver,  since  local iz at ion   de pend sign ific a ntly   on   si gn al s r ece ived  f r om   po te ntial  PU E,  it   m ay   beco m diff ic ult  to  detect   PU Es  w hose  sign al hav be en  seve rely   under m ined  by  channel  eff ect s uch   as   m ulti path  fad i ng   a nd  sh a dow ing   [ 12] Co nse qu e ntly co operati ve  sp ect rum   sensing   (CS S)   ha s   been   a dopted  t m it igate   su ch  eff ect in  C RNs.  He re,  S Us  ar co nf i gure to  us C SS  to  m ake  c om bin ed   decisi ons c on c ern i ng the  pr e s ence  of P UEs  i a CR N [13,  14].   CSS  in  CR N can  be  cl a ssifie int di stribu te a nd   centrali zed  s pectr um   sensing   [15 - 18] .     In   distrib uted  sp ect r um   sensing   (S S ),   eac SU   pe rfo rm s pectr um   sensi ng   in div i dual ly   and   com m un ic at es    the  sense inf or m at ion   to  ne ighbou rin SUs  without  com m on   Fu sio centre  (F C ).   Dist rib uted  SS  re quire s   reli able  com mu nicat io li nk s   between   th neig hbouri ng   SU an inc urs  com m un ic at i on   ov e r head   duri ng   sp ect r um   sens ed  data  e xch a ng e Wh il i centrali ze  SS Fusi on  ce ntr (F C gathe rs   sense inf or m at ion   from   all  SU in  the  CR a nd   us es  t hese  inf or m at ion   to   com pu te   the  sensing  sc he dule   of  each  S over     par ti cular  ch ann el wh ic m akes  it   m or eff ic ie nt  than  distri bute spe ct ru m   sensing   [19 - 21] CSS  ha been  us e f or   se ve r al   purposes  i CR Ns,   f or  exa m ple,  autho r in  [ 16]   pro po se ce ntrali zed   coope rati ng   s ensin schem to  est i m at an  op tim al   nu m ber   of   S Us  an local   sensing  tim that  gu ara ntees  im pro ve  perform ance  in  te rm s   of   sensi ng   delay   and   sp ect r um   utiliz at ion I [ 17 ] ,   authors  m ini m iz ed  interfere nce  to  the  P w hile  m axi m iz ing   th ex pected  t ra ns m issi on   tim in  CR N.   They  ac hieve this  by  deter m ining   the   op tim a l   decisi on  thre shold  f or  gi ven  false  al arm   pr ob a bili ty   us ing  op ti m al   co m bi ned   ru le   in  ce nt rali zed  co op e r at ive   sensing  sc hem e.  Sim i la rly auth or s   in  [22]   pro posed   r ei nfor cem ent  le arn i ng - ba sed   coope rati ve  se ns in (RLCS)  t re duce  de te ct ion   over hea an i m pr ov detect ion   pe rfor m ance  in  CR Ns.   Ac cordin to  [ 22 ] an   FC  coope rates  wit ne ig hbourin S Us  to   deter m ine  an  opti m al   set   of   c oope rati ng   SUs  w it m ini m u m   con t rol   traff ic   an le s sensing  de la y.  Essentia ll y,  we  note   that  sign ific ant  a m ou nt  of   re s earch  has  bee do ne   con ce r ning  the   us of  CSS  in   CR Ns  (see  w orks  i [ 23 - 26] howe ver,  m o st  of   these  sc hem es  fo cuse m ai nly   on   m axi m iz ing   sensing  pa ra m et ers  in  CSS.  Othe rs  we re  con ce r ned   with  opti m iz ing   the  locat io of  SU to   i m pr ove  detect ion   pe rfor m ance [21,  26 ] .   Howe ver,  the r has   bee li tt le   or  no  w ork   done   c on ce rni ng   t he  us of   CSS  t e ff ect ively   detect   PU Es  i CR N s.  Co ns eq ue ntly in  this  pa pe r,   we  ha ve  inv e sti gated  cl us te r - base centrali zed  s pe ct ru m   sensing  sc hem to  detect   P U Es  with  gr eat e r   accuracy,  sp ee an lo we en erg c on s um ption   rates.  T a chieve   this,  we  cl us t ered   SU i nto  gro up w her e in  SU s   in  the   sam c luster  or   neig hbouri ng   cl us te rs  ty pical ly   exp e rience  si m il ar  sign al   pr opa gation  c ha racteri sti cs,  wh ic res ults  to  si m il ar  Re c ei ved   Si gn al   Stren gt (RSS)   for  SU s   in  these  cl us te r( s ).   I this  case,  we  co ns ide r ed  su c sim il a rly   gr ou ped   S Us  as  cl os el relat ed.  We  f ur the intr oduce hybri schem to  bette local iz P UEs  ba sed  on  a  com bin at ion   of   the  a ng le   of arr iva l   (AoA)  a nd   rec ei ved   si gn al   str eng t (RS S)   m et hods O ur   fin dings  s uggest  t hat  our  sc hem e   pro vid es  i m pr ov e perform ance  in  detect in P U Es  in  CR Ns.   T he  rest  of  this  pap e is  orga ni zed  as  f ollows Sect ion   pre sent s   the  m et ho do l ogy  an the  m od el   f or   i nv est i gating  ef fects  of   c oope rati ve   sensing  on  th hybri L ocal iz at ion   Schem fo De te ct ion   of   P rim ary  User   Em ulator  in  CR Ns.  In  sect ion  3 we   pr ese nt  the  res ults  and  d isc ussi on.  Perfo rm ance an al ysi s of  our  s tud y a nd concl us io a re  pr ese nted  i sect io ns 4 a nd  5   res pe ct ively .       2.   METHO DOL OGY   In   t his  sect ion,   we  de scrib the  syst em   m o del  in  w hic our  CS ba sed  hybr id  sc hem e   is  dep l oyed .   We  pr e sent  a   gen e ral  syst em   m od el   of  the   CR N,  the   CS sc hem based   on  e nergy  de te ct ion our   hy br i schem e and  t he  ty pical  opera ti on of the e nt ire syst em  are  then  prese nted   i Fi gure  1.           Figure  1.   A  ty pi cal  CR de pi ct ing  S Us  co m m un ic at ing  w it a SB S in  th e presence  of a  potenti al  PUE   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om En g,   V ol.  10 , No 3 J une  2020   31 16   -   3124   3118   2 . 1.     S ys te m m od el   Fig ure   dep i ct ty pical   CR consi sti ng  of  seve ral  S Us  set   up  to  detect   PU with  seve ral   env i ronm ental  ob sta cl es  exis ti ng   in  the  en vi ronm ent  that  m ay   cause  fad ing   an sh a do wing.  To  e ff ec ti vely  detect   the  P U E,  the  S Us  a dopt  CS base on   a   hy br id  s chem co m pr i sing   of   t he  rec ei ved   si gn al   st rength   (RSS)   a nd  the   ang le   of  ar rival  (Ao A)   loc al iz at ion   m et ho ds.  Esse ntial ly each  SU   re cei ves  dif fer e nt   RSS  values  from   th PU E.  F or  ex a m ple,  the  sig nal  from   the  PU to  S U1   i Fig ure   is  af f ect ed  by  the  buil ding   and  th ough  no  visible  ob sta cl m a exist  bet ween  the  PUE  and  S U4  or  SU5,  t he  RS values  m ay   be  di f fer e nt  because   of  at m os phe ric  co ndit ion a nd   t he  di sta nce  betwee no des.   We  c on si der   i Fi g ure   fusio centre   (F C)  dep ic te as  the  seco nda ry  base  sta ti on  (S BS)  t hat  c oor din at es  the  CSS  schem a m on the  SUs.   In   thi s   m od el each  SU   senses  the  P UE’ si gn al   an repo rts  it decisi on   to  the  F C,  wh ic the cond ucts  data  fu si on  in  ord er  t m a ke  final  deci sion.  T his  fi na decisi on  is  t hen  bro adcaste to   the  SU s   after  local iz a ti on  is  con cl ud e d wit h t he  ai m  to  isolat e the P UE.     2 . 2   C ooper ati ve  sensin g sc heme   The  CSS  sc he m con sist of  SU that  in div i du al ly   senses  t he  P UE’ si gnal   energy  and   t hen   eac S U   sen ds   it local   decisi on  to  the  FC,  w hich  m a kes  the  fi nal  de ci sion . W co nsi der e the  ene rg detect or  (E D)   a s   the  s pectru m   sensing  m et ho since  t he  P U E’s  si gn al   e ne rg is  t he  on ly   inf or m at ion   a vaila ble  to   eac S U.  Con se quently , we m od el ed  t he  sig nal en e rg y  of the  P UE re cei ved  at  each   it SU as :     0 1 ( )                                             ;   () ( ) ( )                     ;   i i ii u m H xm s m u m H   (1)     wh e re  m   1,   2,   .,  is  th tim sa m p le   ind e an is   the  total   nu m be of   sam ples  sense by  eac SU,   is  the  sign al   received  at   the  it SU wh e re  1,   2,   ….,  K the  PU sig nal  at   e ach  SU   is  de note a s     m od el ed  as  a   var ia ble  with  zero   m ean  an var ia nce 2 s and   ui(m is  m od el ed  as  Additi ve   W hite  Ga us si an   No ise   ( A WGN wit zer m ean  a nd  va rianc e 2 u He re,   re presents  the   num ber   of  S Us  i t he  CR N H0  a nd  H1   represe nt  the  hy po t hesis   that  descr i be ei ther  the  a bs e nce  or  pre sence  of  P UE   sign al in  t he   CR N   resp ect ively .   Each  SU recei ves xi(m an d com pu te s a tes t st at ist ic , w hic h rep rese nts th e sig nal en e rg y  as foll ows :     2 1 1 ( ) ( ) N ii m T X x m N   (2)     Th us , we c om pu te t he  lo cal  proba bili ty  o f d et ect ion D p at  each  SU as:     1 ( ) / i D i i P P T X H      22 22 ( ( ) ) 2 i s u su N Q            (3)     and the  pro ba bi li t y of   false al arm FA P at  each  S U as:     0 ( ( ) / ) i F A i i P P r T X H      2 2 () 2 iu u N Q         (4)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g     IS S N: 20 88 - 8708       Cooper ative - hy br id  d et ect io n of  pr im ar us e r emulat or s i n   cogniti ve ra dio netw or k ( S. A . A debo )   3119   The   pro bab il it y of m issed d et ect ion   M p can as  wel l be calcula te as :     1 ii MD pp      w he re () Q   is   the M arcu m  Q - functi on g i ven as:     2 2 1 () 2 t dt x Q x e     a nd   i is t he  local   detect io th res ho l at  eac h S U ob ta ine d fro m  ( 4)  as :     21 2 2 () i u F A i N u QP     Each  S t hen  sen ds   it loca detect ion   sta ti sti cs  to  the  FC,  w hich   pla ys  vital   ro le   in  the  C S S   schem e.  Ba sed  on   the  local   sta ti sti cs  recei ved   at   the  FC   fr om   K   par ti c ipati ng   S Us,   t he  FC  de no te s   as    the  total   num ber   of  S Us  t hat  ha ve  dete ct ed  the  PUE It  the a do pts  decisi on   strat egy descr i bed    accor ding t [ 27]  as :     0 1 ,       i f       ,       i f       HM HM     ( 5 )     The  FC  decide on   the  fi nal  pro ba bili ty   of   detect ion   an prob a bili ty   of   false  al ar m   based  on   M   dif fer e nt   local   sta ti sti cs as f ol lows :     1 1 K K Km m D D D m m P P P       (6 )     1 1 K K Km m F A F A F A m m P P P       (7 )     2 . 3   H yb ri l oc aliz at ion s c h eme   The  FC  us es  t he  se ns ed   inf orm ation   f ro m   each  S to  l oc al iz the  PU E To  ac hie ve  this,  it   ad opts     hybr i of  th RSS  an an gle  of  arr i val  ( AoA)   m et ho ds   to  detect   the  PU E.  Fig ure   il lustrate set up   of    nu m ber   of  S Us  ai m ing   to  de te ct   PU E.  H ere,  the  FC   gr oups   the  diff e r ent  SU int re sp ect ive  pai rs  wh e re  each  pair  ai m to  detect   the  PU E.   We  desc ribe  t he  hybr i locat io sch e m (H LS for  par ti cula pair  a s   fo ll ows  [ 28] in  Fig ure   3,   le t   x 1 , y 1   and   x 2 , y 2   de no te   t he  res pecti ve  po sit io ns   of   SU 1   and   SU 2 Sim i la rly,   le t   r 1   and  r 2   repres ent the  ra dii of  the cove rag e  ar eas o SU 1   an SU 2 . Lin c onnects  the cent res of   SU 1   and   SU 2 w hile    an θ   are  the  resp e ct ive  an gles  from   wh ic the  le gitim a te   PU ’s  si gn al   a rr i ves  at   SU 1   and  SU 2 The  a ng le α 1   an α 2   represen t he   ang le at   w hich  the  PU E ’s  s ign al   ar rives  at   SU 1   an SU 2 .   Let   the  po sit io of  the  le gitim at PU  be   ( X PU ,       Y PU and  the   posit ion  of  t he  PUE  be   ( X e ,       Y e ).  The   Eucli dea distanc e   D   betwee the  pa ir of  par ti ci pating S Us  is  obta ined  as :     22 2 1 2 1 ( ) ( ) D x x y y   (8 )     1 1 1 t a n ee Y y X x   (9 )     2 2 2 t a n ee Y y X x   (10 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om En g,   V ol.  10 , No 3 J une  2020   31 16   -   3124   3120   1 1 2 2 2 1 12 ( t a n ) ( t a n ) t a n t a n e x x y y X     (11 )       SU 1 SU 2 SU 3 SU 4 PU E SU 5 S B S c o m m u n i c a t i o n   b e t w e e n   S U   a n d   S BS P U E   s i g n a l     Figure  2. A  setup o S Us  coo per at in t o detec t a p otentia PU E       Con se quently ,   w hen  pair   of  S Us  recei ve  the   sig nal   from   pote ntial   PU E fir st,  each   pai coope rates  to  com pu te   the  locat ion   of   t he  transm itter  u sing   ( 14)  a nd  ( 15) The n,   this  est i m at ed  transm it te locat ion   is  co m par ed  with  the  know loca ti on   of  the  le gitim a te   PU If   the  transm it t er’ locat ion   is  diff e rent   from   the  le git i m at e   PU ’s  lo cat ion the  tra ns m itter  is  co ns ide red   PUE.  Othe rw ise ,   it  is  con sider ed  a s     le gitim at P a nd  so  the  S Us  qu ic kly  va cat the  spe ct r um   to  avo i in te rf ere nce.   The   detect ion  res ul ts  are   sent  to  the  FC  wh e re  final  det ect ion   is  con cl ud e base on   the  decisi on   s trat egy  in  (8 ) si m ple  strateg to  cl us te the  S Us   in  CR is  dep ic te in  Fig ure   4.   Her e the  SBS  form fo ur  dif fer e nt  cl ust ers  wh e re  eac SU  form pair  a nd   c omm un ic at es  this  pairing  inform at ion   t the  SBS.  Es sentia ll y,  an  SU   can  f or m   only   on e   pair  pe ti m e   and   i sit uation  w her the re   are  odd  num ber   of  SUs  in  the  CR N,   the  S BS  si m ply  exclud es    the last  S that  f ai ls t o f or m  a p ai r.         SU 6 SU 7 SU 8 SU 9 SU 10 SU 11 SU 1 SU 2 SU 3 SU 4 SU 5 Cl u s t e r   1 Cl u s t er   2 Cl u s t e r   3 Cl u s t e r   4 C l o s n ei g h b o u r s   i n   d i ff er en t   c l u s t er s C l o s e   n e i g h b o u r s   i n   t h e   s a me   c l u s t e r S B S     Figure   3 .   The  two sec ondar us ers  parti ci pat ing  i the   detect ion PU E     Figure  4. Cl us t erin g of   SUs  by  a secon dar base  sta ti on  (sam e a s FC)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g     IS S N: 20 88 - 8708       Cooper ative - hy br id  d et ect io n of  pr im ar us e r emulat or s i n   cogniti ve ra dio netw or k ( S. A . A debo )   3121   2 . 4   Gener al  op er at i on   of the co op er ati ve - h yb ri d l oca l iz at ion s che m e ( C - HL S)   Essentia ll y,  each  S receive the  RS values  from   the  PU t ran sm it t er.  Using  t he  RSS,  eac S U   est i m at es   their  resp ect ive  di sta nces  from   t he  PUE  trans m itter  and   the   arr ival  an gle   of   the  sig nal  us in   the  HL sc he m e.  Our  HLS  is  then   us e to  local iz t he  P UE  base on   t he  distance  a nd  the  angula r   m easur em ents.  Diff e ren pair of   S Us  distribu te withi c lusters  in  the  CR are  use to  local iz the  PUE   with  the   ai m   t inc rease  dete ct ion   acc ur acy .   pair  of  S Us   is  sel ect ed  by  the  SBS  us i ng   the  RSS  of  eac S U   receiv e withi po wer   i nter val  [ 0 , ]   from   pa rtic ipati ng   S Us . W e d escri be  li st  of   possibl pairs  that  ca be  sel ect ed  as  f ollows:   -   Tw SU with   m axi m u m   RS S:  In   this  case,   the  SBS  sel ect fr om   a m on al c luster the  two  nodes  w it the  hi gh e st R S S v al ues. Thi s   i m plies t hat the two no des  ca n be select ed  fr om  d iffer e nt cl us te rs .   -   Tw SU wit m ini m u m   RS S:  The  SBS  sel ect two  node with  the  l owest   RSS  values   fr om   a m on al cl us te rs.   -   Tw SUs  with   m edium   RSS:   The  SBS  c ompu te th ave ra ge  RSS  v al ues   from   all  no de in   the  CR a nd   sel ect s the tw o nodes  h a ving t he  cl ose st val ue s to  t he  a ver a ge  RSS   value.   -   Tw S Us  with   one  ha ving  t he   highest  RSS   an the  oth e hav i ng  the  lo west  RSS:   T he   SBS  sel ect two  nodes  w it h o ne  h a ving the  h i ghest  RSS  and t he othe r havi ng the  lo west R S values  in  t he  CR N.   -   Tw SU that  are  cl os el relat ed:  Her e,  the  SBS  sel ect two  node with  the  two  highest   RSS  values  f r om  the sam e cluste r.   Our  ai m   is  to  inv e sti gate  the   best  pair  of  S U that  ca m os eff e ct ively   det ect   the  pr ese nc of  P UEs   in   CR us in g o ur  C - H LS sc hem e.     2 . 5   Perf orm ance  metric   We  evalu at ed  the  accuracy  of   the  P UE  lo cal iz at ion   sche m us ing   the  Roo Me an  S qu a re  Er ror  (RMSE)  f un ct i on d e fine as :     2 1 () c c e s t r e a l c LL R M S E c   (12 )     w he re    an    ar the  est im at e a nd  act ual  l oc at ion   of  the   P UE,  an C   de note the   num ber   of  Mo nte   Ca rlo  tria ls  ov er  wh ic the  sim ula ti on  was c onduct ed.       3.   RESU LT S  AND A N ALYSIS   In   t his  sect io n,  we   disc us our  fin dings  c on ce r ning  the   us of  the   C - HL ov e dif fer e nt  pai r - sel ect ion   sc he m es.  Our  sim ulati on   was  c on du ct e usi ng  MATLAB  ve r sion   2017 b.   He re,  S Us  wer r ando m l distrib uted  ov e sp at ia network   of   100m  100m The  po sit io of  pair  of  SUs  re la ti ve  to  the  PU E’ s   locat ion   wer var ie over  dif fer e nt  Mon te   Ca rlo  sim ulatio a ver a ge over  1000  tria ls  (i.e.  1000  in  (15 )).   The  tra ns m it   po we of  the  P UE  was  fixe at   50dBm   and   pathloss  was  c om pu te us in the  f ree - sp ace   m od el   for  ref ere nce  distance  of  1m  and   loss  ex po nen of  4,   co nsi der in ty pical   urba env i ron m ent s.  Her e,  w no te   that schem es wi th low e RM S E v al ues  ty pica ll y im pl y bett er acc ur acy .   Figure   pr ese nts  the  accu rac per f or m ance  of   the  CSS - HL us in pair  of   S Us  with  m ini m u m   and  m axi m u m m i nim u m m edian,   hi gh e st,  an cl os el relat e RSSs.  Our  fi nd i ngs  i nd ic at that  the  accuracy  of  the  C - HLS   over  di ff e ren pa ir - sel ect ion   sc hem es  increases  as  the  pair   of   SUs  co ntinuo us ly   rec om pu te   the  locat io of   the  P UE  ov e t i m e.  As  ex pect ed,   Fig ur e   s hows   that  sel ect ing   t wo   SUs  w it the  highest  RSS  values  c onve rged  t a RM SE  value  of   0.0 06   i 0.0 secs Using  this  sel ect ion   sc hem i m plies  that  SU that   receive  PUE  s ign al via  the   best  c hannels  (least   fa ding  e ff ect s)   ge ne rall le a ds   to  im pro ved  pe rform ance .   Figure   furth er  s hows   that  the  pai r - sel ect ion  sc hem of   SU with   the  le ast   (m ini m u m RSS  value a nd     the  pair  sc hem with  m edian  RSS  values  ty pical ly   con ve r ged   to  a RM SE  value  of   0.008 an 0.0 068  a fter   0.08   secs res pecti vely Thi i m plies  that  us in PU w it s m al l   RSS  values  ( poor   channel)  co ndit ion ty pical ly   r edu c es  PU detect ion   perform ance.  The  le ast   perform ance  oc curred  w hen   us in tw S U with  m axi m u m   and   m ini m u m   RSS   values  res ulti ng   i an  RM S value  of   0.0 13   a fter  0.09   s ecs.  This  im pli es  that   us in the  m ini m u m   RSS  values  in  pair  c om bin at ion   m a no necess a r il gu aran te the  best  pe rform ance  since  detect io pe rfor m ance  m ay   a lso  be   aff ect ed  by  poorl est i m a t ed  A oAs,  th us  neg at ively   a ff ect in   the  pe rfor m ance  of   t he  pair  schem e An   in te resti ng   fin din i Fig ur e   su ggest that  two  S Us  with  cl os el y   relat ed  RSS conve rg e the   fastest   to  a RM SE  value   of   0.0 047  a f te 0.0 secs.   This  pair  ac hiev e   the  hi ghest   acc ur acy   at   t he  fas te st  rate  beca use   they   had  the   highest  R SS  va lues  f r om   wit hin   t he  sam cl us te r .   Fu rt her m or e,  s ince  the  tw S Us  with  relat ed  RSS  a re  not   a far   a par a the  m axi m u m   RSS  schem from   diff e re nt cluste rs,  t hey ty pical ly  ex pe rience l ess p at hlo ss  leadin to  b et te r   perform ance th an othe sc hem es.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om En g,   V ol.  10 , No 3 J une  2020   31 16   -   3124   3122   Figure   pr e se nts  the  total   en erg co nsum e by  each  pair ing   sc hem ov er  the  co nver ge nce  tim to  their  res pecti ve   m ini m u m   R MSE  values Our  fi nd i ng ind ic at that  the  cl os el y - relat ed  pairi ng   sc hem consum ed  the  le ast   ener gy  be cause  it   con ve rg e fastest   to  it m ini m u m   RM SE  value.  Essentia ll y,  F igure   su ggest tw i nteresti ng  obs erv at io ns   as  fol lows the  C - HS sc hem c an  be  us e ba sed  on  the  cl ust erin appr oach  as  w el as  with ou t   cl us te rin g.  I t he  cl us te rin c ase,  it   is  s ugge ste that  SU  pa irs  wit the   hi gh est   RSS  val ues  s houl be   sel ect ed  f ro m   the  s a m cl us te r,   a this  pro duce i m pr ove pe rfor m ance.  H oweve r,     in  non - cl us te red   CR N it   is  su ggest e that  the  m axi m u m   RSS  pairi ng   sc hem sh ou ld  be   adopted  t achieve   the b e st pe rform ance.             Figure  5.   Com par at ive  p e rfo r m ance of th e  C - HL schem e u sing t wo S Us wit l ow est ,   m edi u n,  highest,   cl os el y rela te RSS     Figure  6.   Ene r gy Co nsum ption   of the C - HL S schem us in t wo SUs  with lo west,  m edian, hi gh e st,      cl ose ly   relat ed  RSS s       3.1.    Perf orm ance   a na l ys is    The  perform a nce  of  the   pr opos e Im pro ved - hybr i D e te ct ion   of  P rim ary  User   E m ula tors  in   Cognit ive  Ra di Netw o r ks   was  m easur ed   us in root  m ean  squar error   (RMS E)  as   sh ow in  Fig ure   5.  Si m il arly per f or m ances  of   s om sche m es  for  the  detect i on   of   pr im ary  us er  em ulator in  cogniti ve   rad io  netw orks  we re   evaluated  us i ng   RM SE Th per f orm ance  of   the  propos ed  Co op e rati v e - hy br id  Detec ti on   of  Pr im ary  User   Em ulators  in  Cognit ive  R adio  Netw ork s   is  bette th an  the  perfor m ances  of   t he   hybri   schem [2 8],  AoA  sc hem [2 9],  a nd  RSS  schem [3 0]  presente in  Ta ble  1.   N otice   that  our  c oope r at ive - hybri sc hem e d em on strat es  hi gh e ac c ur acy   than  R SS,   A oA  hybr i d of RS S and A oA as i t exh i bits the l ow est   RM SE  of   0.0 047.  More over it   exh ibit high er  sp ee an e nergy  eff ic ie nc than  the  m e t hods   us ed  i [ 29,  30]   as  it   ta kes  le sser  nu m ber   of  it erati on to  at ta in  converge nc e.  This  resu lt are  qu it sig nificant  beca use   sp eed  and   acc ur acy   are  ve ry  i m po rta nt  for  ef fici ent  sp ect r um   util iz a ti on .   Fu rt her m or e,   the  need   for   energy  eff ic ie ncy  ca nnot  be  ov e rem ph a siz ed  in   re al iz ing   co gnit ive  ra dio  te ch nolo gy,  c on si de rin the  num ber   of  dev ic es  that  will  f l ood  t he netwo rk in  futu re.   Com par iso n o local iz at ion s chem es   sh own   in Ta ble 1.       Table  1.  C om par iso n of  local iz at ion  sc hem es   Detectio n  Sche m e   Nu m b e o f  I te ratio n s   RMSE   RSS [ 2 9 ]   50   0 .22 0 0   Ao A [ 3 0 ]   30   0 .01 2 0   The H y b rid o f  RSS and  AoA [ 2 8 ]   20   0 .00 5 0   The  Co o p erative - h y b rid Sch e m e   20   0 .00 4 7       4.   CONCL US I O N   In   this  pa per we  ha ve  pr ese nted  c oope rati ve - hybr i loca li zat ion   schem (C - H LS)  t im pr ov P U E   detect ion   in  C RN.  The  C - H SL  schem was  inv est igate co ns ide rin diff e ren pair ing   ap proac he with    the  ai m   to  determ ine  wh ic pair  ac hieves   the  best  pe r for m ance.  W e   an al yz ed  the  C - HLS   schem ba sed  on     the  acc ur acy   a nd  ene r gy  co nsum ption   rate   of  the   sc hem a f unct io of  tim e.  Ou r   fi nd i ng s   in dicat th at   tw SU s   with   cl ose ly   relat ed  RS val ues  best  loca li zes  P U in  te rm of   accuracy,   ene r gy  co nsum ption   a nd   sp ee d.   Ne ve rth el ess,  our  sc he m m a ben efi fu rt her   from   e m plo yi ng   bette sp ect ru m   sensing  m et ho ds  and  inco rpor at in g a dap ti ve  th res hold tech niques i the  E D,   w hich wil l be c onsidere i f uture  works.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g     IS S N: 20 88 - 8708       Cooper ative - hy br id  d et ect io n of  pr im ar us e r emulat or s i n   cogniti ve ra dio netw or k ( S. A . A debo )   3123   ACKN OWLE DGE MENTS   This  researc was  s uppo rted  by  the   TET FUND   I ns ti tuti on - Ba sed   Re sear ch  In te rv e ntio (I BR I)  f und  of the  Fede ral  Un i ver sit y o f Te ch no l og y,   Mi nn a,  N i ger ia  ( TET FUN D/F UTMI NNA/2 016 - 2017/6th  BR P/15).       REFERE NCE S   [1]   S.  Srinu,  S.   L .   S aba t ,   and   S.  K .   Udgata ,   Spect r um   Sensing   using  Freque nc y   Do m ai Ent rop y   E stim at ion  a nd  i ts  FPGA   I m ple m ent at io n   for   Cognit ive Ra d io , ”  Pr oce dia   Engi n ee r ing,   vo l. 30, pp.  289 296,   2012 .   [2]   P.  Li n,   Y.  Chen ,   P.  Chang  and  S.  Jeng,   "Coopera t i ve  Spect rum   Sensing  and  Optimiza t ion  on  Multi - Antenna   Ene r g y   Dete c ti on  in  Ra y l ei gh  Fading  C hanne l , "   27th  Wirel ess  and  Optic al  Comm unic ation  Confe renc ( WOCC) ,   Huali e n pp.   1 - 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E ng.   degr ee   in  E l ec tr ic a and   Co m pute Engi n eering  and  M. Eng .   degr ee   in  Com m unic a ti ons  Engi n ee ring  from   Feder al   Univer si t y   o Te chnol og y   M inna ,   Niger ia   in  2008  and  2013  r espe ctively .   He  i cur ren tly   work ing  towar ds  his  Ph.D  degr ee   in  Com m unic at ions  Engi ne eri ng  at  the   Depa rtment  of  Te le com m unic at ions  En gine er ing,   Fede ral   Un ive rsit y   of   Te chno log y ,   Mi nna,   Niger ia .   Hi rese arc inter ests  inc lude   spe ct rum   m ana gement  in  cognitiv rad io, a nd   wire les s sensor ne tworks.         Eli z abeth  N.  Onw uk is  Prof essor  of  Tele co m m unic at ions  E ngine er ing.  She  holds  Ph.D .   in  Com m unic at ions  and  Inform ation  S y st ems   Engi nee r ing,   fro m   Tsinghua   Univer sit y ,   Be ij in g,   People ’s  Repub li of  Chin a;   a   Master   of  En gine er ing  degr e e,   in  Te l ec om m unic at ions;  and     Bac h el or   of  E ngine er ing  degr e from   El ec tr ical   and  Com pute Engi ne eri ng  De par tment,   Fed eral  Univer sit y   of  T ec hnolog y   (FU T)  Minna ,   Nige Stat e ,   Nig eria .   Her  r ese ar ch  int er est  in cl udes  Mobile   comm un ic a ti ons  ne twork,   Mobil IP  n etw orks,  Handoff   m ana gement ,   P agi ng,   Ne twork  int egr at ion ,   R esourc m an age m ent   in  wir el ess  net works ,   spec tr um   m ana gement,   and  Big  Data  Anal y tics.           A.  U.  Us man,  is  Senior  L ecture with  the   Depa rtment  of  Te l ec om m unic ation  Engi ne eri ng ,   Feder al  Univer si t y   of  T ec hno log y ,   Minna ,   Nig eria.   He   obt ai ned   h is  B. Eng .   degr ee  in  E lectr i ca l   Com pute Enginee ring  from   t he  sam Unive rsit y   in  1998.   He  ac quir ed  M . Sc.   in   Elec tri c al   Engi ne eri ng  fro m   Univer sit y   of   La gos,  Nig eria   and  PhD   in  C om m unic at ion  Engi ne eri ng  from  Abubaka Ta f a wa  Bal ewa   U nive rsit y ,   Bauchi  Niger ia   in   2002  and  2014  respe ctively .   He  is  cur ren tly   the   Deput Dea n,   School  of  El ec tri ca l   Engi nee ring  and  Te chno log y .   He  has  t eachi n expe r ie n ce   i the  ar ea   o f   m obil r adi o   propa ga ti on  m odel ing,   wir eless  comm unic at ion  s y stem,  wire le ss   net work  resour ce   ut il i za t ion,   n um eri ca m et ho ds,  and  digital  el e ct roni cs.   His  rese arc int er e st  inc lude rad i propa gat i on  m odel li ng,   indo or  and  outdoor  wire le ss   comm unic a ti on  a nd  appl i ca t ion  of  Artifi c ia Intelli gent   t ec hni ques   in  Eng ine er in g .   He  has  publ ishe seve ra p ape rs  in  na ti ona l/ in te r nat ion al   journa ls   and confe r ences.         Dr.   Ad ei z Ja me Onu many recei ved   his   B. Eng.  degr e in  E le c trica l   and  Elec t roni cs  Engi ne eri ng  fro m   Abubaka Ta fawa   Bal ewa   Uni ver sit y ,   Bau chi,  Niger ia,  in  2005,   and  his  M.E ng  an PhD   degr ee s   in  Com m unic ati ons  Engi ne eri ng   from   Feder al  Univer sit y   of  Te ch nolog y   (F.U. T),   Minna,   Nig eria  i 2010  and   2014 ,   respe ctively .   H has  pub li shed  seve ral  rese arc h   art i cl es  in  pe er - rev ie wed  journ als   and  in  IEE fl agship  conf ere n ce s.  Dr.  Onum an y l e c ture at   t he  Depa rtment  o Te l ec om m unic ation  Engi n ee ring ,   F.U.T,  Minna ,   Niger ia.  He  h a won  gra nts  at  F.U.T ,   Minn a,   serve on  seve r al   conf ere n ce - or gani z ing  comm it tees.  His  rese a rch   intere sts  in cl ude  spe ct rum   sensing  in cogni t ive   r adi o ,   wir el e ss   sensor ne t works .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.