Novel QoS-Aware Proactive Spectrum Access Techniques for Cognitive Radio Using Machine Learning
- 1. University of Glasgow
 - 2. University of Engineering and Technology Lahore
 
Description
Traditional cognitive radio (CR) spectrum access techniques have been primitive and inefficient due to being blind to the occupancy conditions of the spectrum bands to be sensed. In addition, current spectrum access techniques are also unable to detect network changes or even consider the requirements of unlicensed users, leading to a poorer quality of service (QoS) and excessive latency. As user-specific approaches will play a key role in future wireless communication networks, the conventional CR spectrum access should also be updated in order to be more effective and agile. In this paper, a comprehensive and novel solution is proposed to decrease the sensing latency and to make the CR networks (CRNs) aware of unlicensed user requirements. As such, a proactive process with a novel QoS-based optimization phase is proposed, consisting of two different decision strategies. Initially, future traffic loads of the different radio access technologies (RATs), occupying different bands of the spectrum, are predicted using the artificial neural networks (ANNs). Based on these predictions, two strategies are proposed. In the first one, which solely focuses on latency, a virtual wideband (WB) sensing approach is developed, where predicted relative traffic loads in WB are exploited to enable narrowband (NB) sensing. The second one, based on $Q$ -learning, focuses not only on minimizing the sensing latency but also on satisfying other user requirements. The results reveal that the first strategy manages to significantly reduce the sensing latency of the random selection process by 59.6%, while the $Q$ -learning assisted second strategy enhanced the full-satisfaction by up to 95.7%.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
كانت تقنيات الوصول إلى الطيف الراديوي المعرفي التقليدية (CR) بدائية وغير فعالة بسبب العمى عن ظروف إشغال نطاقات الطيف المراد استشعارها. بالإضافة إلى ذلك، فإن تقنيات الوصول إلى الطيف الترددي الحالية غير قادرة أيضًا على اكتشاف تغييرات الشبكة أو حتى النظر في متطلبات المستخدمين غير المرخص لهم، مما يؤدي إلى جودة خدمة رديئة (QoS) وزمن استجابة مفرط. نظرًا لأن الأساليب الخاصة بالمستخدم ستلعب دورًا رئيسيًا في شبكات الاتصالات اللاسلكية المستقبلية، يجب أيضًا تحديث الوصول إلى طيف CR التقليدي من أجل أن يكون أكثر فعالية ومرونة. في هذه الورقة، يُقترح حل شامل وجديد لتقليل زمن الاستجابة للاستشعار ولجعل شبكات السجل التجاري (CRNs) على دراية بمتطلبات المستخدم غير المرخصة. على هذا النحو، يتم اقتراح عملية استباقية مع مرحلة تحسين جديدة قائمة على جودة الخدمة، تتكون من استراتيجيتين مختلفتين للقرار. في البداية، يتم التنبؤ بأحمال حركة المرور المستقبلية لتقنيات الوصول اللاسلكي المختلفة (RATs)، التي تشغل نطاقات مختلفة من الطيف، باستخدام الشبكات العصبية الاصطناعية (ANNs). بناءً على هذه التوقعات، يتم اقتراح استراتيجيتين. في الأول، الذي يركز فقط على زمن الوصول، يتم تطوير نهج استشعار النطاق العريض الافتراضي (WB)، حيث يتم استغلال أحمال حركة المرور النسبية المتوقعة في WB لتمكين استشعار النطاق الضيق (NB). والثاني، استنادًا إلى تعلم Q$$، لا يركز فقط على تقليل وقت الاستجابة للاستشعار ولكن أيضًا على تلبية متطلبات المستخدمين الآخرين. كشفت النتائج أن الاستراتيجية الأولى تمكنت من تقليل وقت الاستجابة للاستشعار بشكل كبير في عملية الاختيار العشوائي بنسبة 59.6 ٪، في حين عززت استراتيجية Q$ الثانية المدعومة بالتعلم الرضا الكامل بنسبة تصل إلى 95.7 ٪.Translated Description (French)
Les techniques traditionnelles d'accès au spectre radio cognitif (CR) ont été primitives et inefficaces en raison de leur aveuglement aux conditions d'occupation des bandes de spectre à détecter. En outre, les techniques actuelles d'accès au spectre sont également incapables de détecter les changements de réseau ou même de prendre en compte les exigences des utilisateurs sans licence, ce qui entraîne une qualité de service (QoS) inférieure et une latence excessive. Comme les approches spécifiques aux utilisateurs joueront un rôle clé dans les futurs réseaux de communication sans fil, l'accès conventionnel au spectre CR devrait également être mis à jour afin d'être plus efficace et plus agile. Dans cet article, une solution complète et novatrice est proposée pour réduire la latence de détection et sensibiliser les réseaux CR (CRN) aux exigences des utilisateurs sans licence. En tant que tel, un processus proactif avec une nouvelle phase d'optimisation basée sur la QoS est proposé, composé de deux stratégies de décision différentes. Dans un premier temps, les charges de trafic futures des différentes technologies d'accès radio (rat), occupant différentes bandes du spectre, sont prédites à l'aide des réseaux de neurones artificiels (RNA). Sur la base de ces prédictions, deux stratégies sont proposées. Dans le premier, qui se concentre uniquement sur la latence, une approche de détection à large bande virtuelle (WB) est développée, où les charges de trafic relatives prédites dans WB sont exploitées pour permettre la détection à bande étroite (NB). Le second, basé sur $Q$ -learning, se concentre non seulement sur la minimisation de la latence de détection, mais également sur la satisfaction des autres exigences des utilisateurs. Les résultats révèlent que la première stratégie parvient à réduire considérablement la latence de détection du processus de sélection aléatoire de 59,6 %, tandis que la deuxième stratégie assistée par l'apprentissage $Q$ a amélioré la pleine satisfaction jusqu'à 95,7 %.Translated Description (Spanish)
Las técnicas tradicionales de acceso al espectro de radio cognitiva (CR) han sido primitivas e ineficientes debido a que no conocen las condiciones de ocupación de las bandas del espectro que se van a detectar. Además, las técnicas actuales de acceso al espectro tampoco pueden detectar cambios en la red o incluso considerar los requisitos de los usuarios sin licencia, lo que lleva a una peor calidad de servicio (QoS) y una latencia excesiva. Dado que los enfoques específicos del usuario desempeñarán un papel clave en las futuras redes de comunicación inalámbrica, el acceso convencional al espectro CR también debe actualizarse para ser más efectivo y ágil. En este documento, se propone una solución integral y novedosa para disminuir la latencia de detección y para que las redes CR (CRN) conozcan los requisitos de los usuarios sin licencia. Como tal, se propone un proceso proactivo con una nueva fase de optimización basada en QoS, que consta de dos estrategias de decisión diferentes. Inicialmente, las cargas de tráfico futuras de las diferentes tecnologías de acceso por radio (Rat), que ocupan diferentes bandas del espectro, se predicen utilizando las redes neuronales artificiales (RNA). A partir de estas predicciones, se proponen dos estrategias. En el primero, que se centra únicamente en la latencia, se desarrolla un enfoque de detección de banda ancha virtual (WB), donde se explotan las cargas de tráfico relativas previstas en WB para permitir la detección de banda estrecha (NB). El segundo, basado en $Q$-learning, se centra no solo en minimizar la latencia de detección, sino también en satisfacer otros requisitos del usuario. Los resultados revelan que la primera estrategia logra reducir significativamente la latencia de detección del proceso de selección aleatoria en un 59,6%, mientras que la segunda estrategia asistida por $Q$ -learning mejoró la satisfacción total hasta en un 95,7%.Files
      
        08720154.pdf.pdf
        
      
    
    
      
        Files
         (245 Bytes)
        
      
    
    | Name | Size | Download all | 
|---|---|---|
| 
          
          md5:aeccbbe58acc30a9c929178551b6d3e8
           | 
        
        245 Bytes | Preview Download | 
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
 - تقنيات الوصول الاستباقي إلى الطيف الترددي الواعي بجودة الخدمة الجديدة للراديو المعرفي باستخدام التعلم الآلي
 - Translated title (French)
 - Nouvelles techniques d'accès proactif au spectre QoS-Aware pour la radio cognitive utilisant l'apprentissage automatique
 - Translated title (Spanish)
 - Nuevas técnicas de acceso proactivo al espectro conscientes de QoS para radio cognitiva mediante aprendizaje automático
 
Identifiers
- Other
 - https://openalex.org/W2946484148
 - DOI
 - 10.1109/access.2019.2918380
 
            
              References
            
          
        - https://openalex.org/W1515851193
 - https://openalex.org/W1605708511
 - https://openalex.org/W1642589388
 - https://openalex.org/W1980849679
 - https://openalex.org/W2011430131
 - https://openalex.org/W2037673368
 - https://openalex.org/W2049468127
 - https://openalex.org/W2058937474
 - https://openalex.org/W2101840010
 - https://openalex.org/W2105491959
 - https://openalex.org/W2107093743
 - https://openalex.org/W2107561590
 - https://openalex.org/W2107726111
 - https://openalex.org/W2113540758
 - https://openalex.org/W2124428301
 - https://openalex.org/W2128010550
 - https://openalex.org/W2128145324
 - https://openalex.org/W2136134159
 - https://openalex.org/W2151893565
 - https://openalex.org/W2168078104
 - https://openalex.org/W2169061815
 - https://openalex.org/W2280336865
 - https://openalex.org/W2405230789
 - https://openalex.org/W2607622057
 - https://openalex.org/W2612028447
 - https://openalex.org/W2752413709
 - https://openalex.org/W2809972083
 - https://openalex.org/W2839844222
 - https://openalex.org/W2881958809
 - https://openalex.org/W2894423431
 - https://openalex.org/W2897318479
 - https://openalex.org/W2899199924
 - https://openalex.org/W2901105949
 - https://openalex.org/W2908487597
 - https://openalex.org/W2911546748
 - https://openalex.org/W2950347959