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Most of the existing wireless services operate in the 8 kHz - 5 GHz part of the electromagnetic spectrum. With the different regions of this band already being reserved for a myriad of wireless services, finding suitable spectrum for new services and the further development of existing services pose a significant challenge. Meanwhile, recent studies have reported that the spectrum granted to a service entity with exclusive usage rights (i.e., licensed spectrum) remains largely underutilized in many instances. The desire to exploit the underutilized spectrum for services lacking transmission resources has resulted in the concept of cognitive radios (CRs) that transmit with only a negligible effect on the user holding the exclusive right to that spectrum. Presently, these techniques are being incorporated into regulations for flexible spectrum sharing that are capable of reducing the inefficiencies of the licensed approach. Given the rising interest in flexible spectrum sharing schemes, we consider scenarios of opportunistic spectrum sharing by CRs with 3GPP LTE/LTE-A mobile communications systems that employ large system bandwidths. The spectrum sharing scenarios are classified into an asynchronous case where the CRs are located outside the LTE/LTE-A coverage zones and a synchronous case involving CRs situated inside the coverage area of an LTE-A system. In this thesis, we consider the problems of sensing and data detection in such CRs, and propose novel solutions for these problems. In an asynchronous spectrum sharing scenario, we exploit periodic power boosting of subcarriers in multicarrier signals which is applied in LTE to improve the performance of sensing compared to state-of-the-art schemes under practical scenarios where noise uncertainties are present. Towards this goal, we establish an analytical connection between the subcarrier power distribution and the autocorrelation function of a general multicarrier signal. Using this result, we demonstrate that periodic power boosting causes strong peaks in the magnitude of the autocorrelation function. The obtained analytical results match well with over-the-air measurement results corresponding to an orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) signal of an LTE transmission. Here, the measurements indicate the presence of a boosting with a period of three subcarriers in the LTE signal which arises due to the cell-specific reference signals. Subsequently, algorithms for both sensing before transmission (SBT) and simultaneous sensing and reception (SSR) exploiting the special features of the autocorrelation function resulting from periodic power boosting are developed using the generalized likelihood ratio test (GLRT) principle which outperform energy detection under realistic noise uncertainties and a state-of-the-art method that relies only on the cyclic prefix. For a synchronous spectrum sharing scenario, we explore the application of SSR for cognitive communication. In such a system, a CR synchronized to the macro base station (BS) is assumed to exploit the spectral holes in the OFDMA time-frequency grid. We analyze the impact of timing alignment in such a system and show that power control and guard bands are essential to support such an operation. Practical algorithms for SSR with the constant false alarm rate (CFAR) property are developed using the GLRT principle to protect macro BS users occupying the same transmission resources as the CRs. Subsequently, we propose a transmission-reception protocol with SSR for bidirectional communication between two time-division duplex CRs and compare it to a protocol with only sensing before transmission (SBT). The simulation results show that the sensing overhead in traditional SBT protocols can be much reduced with the use of SSR when the BS activity in adjacent time slots is highly correlated. Finally, the spatial suppression of interference using interference rejection combining (IRC) is considered to improve the data detection in the synchronous spectrum sharing scenario during collision events. The efficiency of interference suppression depends on the accuracy of the channel estimation and the spatial covariance estimation. We analyze two different approaches of covariance estimation, namely data based covariance estimation and reference signal based covariance estimation. It is shown that the reference signal based covariance estimation is superior, even for a block flat fading channel, and the reasons behind this behavior are investigated. Furthermore, we propose an iterative IRC receiver with soft iterative channel estimation and covariance estimation for highly frequency-selective channels. The performance results demonstrate that the iterative IRC receiver can provide a significant gain. Da das elektromagnetische Frequenzspektrum für eine große Anzahl von drahtlosen Diensten reserviert ist, ist die Suche nach geeigneten Frequenzen für neue Dienste und die zukünftige Verbesserung bestehender Dienste eine bedeutende Herausforderung. Inzwischen haben verschiedene Studien in den letzten Jahren berichtet, dass das lizenzierte Spektrum in vielen Fällen weitgehend ungenutzt bleibt. Der Wunsch, das ungenutzte Spektrum für Dienste zu nutzen, für die kein Spektrum verfügbar ist, hat zu dem Konzept von kognitiven Funkgeräten geführt, die nur einen vernachlässigbaren Effekt auf den Benutzer haben, der das ausschließliche Recht auf dieses Spektrum besitzt. In den letzten Jahren wurden Vorschriften und Systeme entwickelt, die eine flexiblere Frequenznutzung ermöglichen und die Ineffizienzen des lizenzierten Ansatzes verringern. Angesichts dieses Trends betrachten wir Szenarien der opportunistischen Frequenz-nutzung durch kognitive Radios (CRs) in breitbandigen 3GPP LTE/LTE-A-Mobilfunksystemen, die Systembandbreiten von bis zu 100 MHz bereitstellen können. Die Szenarien der gemeinsamen Frequenznutzung werden in einen asynchronen Fall klassifiziert, bei dem die CRs sich außerhalb der LTE-Abdeckungszonen befinden, und in einen synchronen Fall, bei dem CRs innerhalb des Abdeckungsbereichs eines LTE-Systems angeordnet sind. Ziel dieser Arbeit ist es, Empfängeralgorithmen zu entwickeln, die für solche CRs in jedem der beiden Fälle notwendig sind. Für das asynchrone Szenario einer gemeinsamen Frequenznutzung nutzen wir eine periodische Leistungsverstärkung von Unterträgern in Mehrträgersignalen aus, die in LTE zum Einsatz kommt, um die Leistungfähigkeit des Sensings im Vergleich zu State-of-the-Art-Verfahren in praktischen Szenarien, in denen Rauschunsicherheiten vorhanden sind, zu verbessern. Zu diesem Zweck stellen wir eine analytische Verbindung zwischen der Unterträgerleistungsverteilung und der Autokorrelationsfunktion eines allgemeinen Mehrträgersignals her. Anhand dieses Ergebnisses demonstrieren wir, dass eine periodische Leistungsverstärkung starke Spitzen in der Autokorrelationsfunktion verursacht. Die erhaltenen analytischen Ergebnisse stimmen gut mit Messergebnissen überein, die einem orthogonalen Frequenzmultiplexsignal (OFDM-Signal) einer LTE-Übertragung entsprechen. Hier zeigen die Messungen das Vorhandensein einer Verstärkung mit einer Periode von drei Unterträgern im LTE-Signal auf, die aufgrund der zellenspezifischen Referenzsignale auftritt. Anschließend werden Algorithmen sowohl für das Sensing vor dem Senden (SBT) als auch für das simultane Sensing und Empfangen (SSR) unter Ausnutzung der speziellen Merkmale der Autokorrelationsfunktion, die aus der periodischen Leistungsverstärkung resultieren, unter Verwendung des generalized Likelihood Ratio Test (GLRT) Prinzips entwickelt, die eine bessere Leistungfähigkeit aufweisen unter ausschließlich realistischen Rauschunsicherheiten als Energiedetektion und eine Methode nach dem Stand der Technik, die auf dem zyklischen Präfix beruht. Wir untersuchen die Anwendung von SSR für die kognitive Kommunikation in einem synchronen Szenario einer gemeinsamen Frequenznutzung. In einem solchen System wird angenommen, dass ein mit der Makro-Basisstation (BS) synchronisiertes CR die spektralen Löcher im Zeit-Frequenz-Raster des orthogonalen Frequenzmultiplex mit Vielfachzugriff (OFDMA) ausnutzt. Wir analysieren den Einfluss von Timing-Alignment in einem solchen System und zeigen, dass Leistungsregelung und Guard-Bänder unerlässlich sind, um eine solche Operation zu ermöglichen. Praktische Algorithmen für SSR mit der Eigenschaft einer konstanten Fehlalarmrate (CFAR) werden unter Verwendung des GLRT-Prinzips zum Schutz von Makro-BS-Benutzern entwickelt, die dieselben Übertragungsressourcen wie die CRs belegen. Anschließend wird ein Sende-Empfangsprotokoll mit SSR für die bidirektionale Kommunikation zwischen zwei Zeitteilungs-Duplex- (TDD-) CRs vorgeschlagen und verglichen mit einem Protokoll mit nur Sensing vor der Übertragung (SBT). Die Simulationsergebnisse zeigen, dass der für das Sensing nötige Overhead in herkömmlichen SBT-Protokollen bei Verwendung von SSR stark reduziert werden kann, wenn die Aktivität der Basisstation in benachbarten Zeitschlitzen stark korreliert ist. Räumliche Unterdrückung von Störungen unter Verwendung der Interferenzunterdrückungskombination (IRC) wird betrachtet, um in synchronen LTE-Systemen die Datendetektion während Interferenzereignissen zu verbessern. Die Effizienz der Interferenzunterdrückung hängt von der Genauigkeit der Kanalschätzung und der räumlichen Kovarianzschätzung ab. Wir analysieren zwei verschiedene Ansätze der Kovarianzschätzung, nämlich datenbasierte Kovarianzschätzung und referenzsignalbasierte Kovarianzschätzung. Es wird gezeigt, dass die auf einem Referenzsignal basierende Kovarianzschätzung sogar für einen Kanal mit flachem Schwund überlegen ist, und die Gründe für dieses Verhalten werden untersucht. Darüber hinaus wird ein iterativer IRC-Empfänger mit weicher iterativer Kanalschätzung und Kovarianzschätzung für stark frequenzselektive Kanäle vorgeschlagen. Die Ergebnisse zeigen, dass der iterative IRC-Empfänger einen signifikanten Gewinn bereitstellen kann. |
