Akıllı Radyo Ağları İçin Bütünsel Bir Mimari An Entire

Akıllı Radyo Ağları İçin Bütünsel Bir Mimari An Entire

Akıllı Radyo Ağları İçin Bütünsel Bir Mimari
An Entire Architecture For Cognitive Radio Networks
Duygu İşler, H. Birkan Yılmaz, Adem Zümbül, Tuna Tuğcu
Bilgisayar Mühendisliği Bölümü
Boğaziçi Üniversitesi
{duygu.isler, yilmhuse, adem.zumbul, tugcu}@boun.edu.tr
Özetçe
Kablosuz teleiletişim sistemlerinin kullandıkları frekanslar
önceden atanarak sabitlenmiştir. Bazı frekans bantlarında
yoğun kullanım nedeniyle servis kalitesi yetersiz kalırken,
bazı frekans bantlarında ise kullanım az olduğu için
verimlilik düşüktür. Verimliliği arttırmak için erişilecek
frekans bandına dinamik olarak karar verebilen cihazların
araştırma konularının odak noktasına oturmasıyla bu tarz
sistemlerin mimari yapıları üzerine çalışmalar tetiklenmiştir.
Bu çalışmamızda Akıllı Radyo Ağları (ARA) için bütünsel bir
mimari önerilmektedir ve seçilen mimarinin avantaj ve
dezavantajlarından bahsedilmektedir. Önerilen mimari
içerisinde bütün mimari elemanları arasındaki mesajlaşmlar,
frekans boşluklarını bulma ve frekans yönetimi ile ilgili
algoritmalar ve mesajlaşmalar tanımlanmıştır. Sistemin
içerisinde
uzun,
orta
ve
kısa
vadeli
frekans
gözlemleme/tahsisi üzerine algoritmalar tasarlanmıştır.
Önerdiğimiz mimari içerisinde temel yapılar tanımlanmış ve
bütünsel olarak etkileşimleri açıklanmıştır.
Abstract
Frequency bands of wireless telecommunication systems are
fixed by assignment in advance. Some frequency bands
suffer from service quality due to heavy load; on the other
hand low utilization of some bands decreases the spectrum
efficiency. Current researches tend to focus on the systems
which can dynamically access the spectrum so as to increase
spectrum efficiency. In this study, an entire architecture is
proposed for Cognitive Radio Networks (CRNs), the
advantages and the disadvantages of the selected
architecture are mentioned. In the proposed architecture,
all messaging between architecture entities, algorithms and
messaging for frequency-hole detection and frequency
management are defined. In this system long, medium and
short term frequency monitoring/allocation algorithms are
designed. In the proposed architecture basic structures are
defined and their integral interaction is explained.
1. Giriş
Kablosuz teleiletişim sistemlerinin hızlı gelişimi uzun süreli
spektrum tahsisi ihtiyacını ortaya çıkarmıştır. FCC’ye göre,
spektrumun birçok sabit kısmı az kullanılırken bazı spektrum
bantları çok fazla kullanılmaktadır ve yüksek sinyal
girişimine maruz kalmaktadır [1]. Spektrumdan toplam
faydalanmayı artırmak için, kullanılmayan spektrum bantları
verilere dayalı planlama yapabilen radyolar tarafından geçici
olarak kullanılabilir. Dolayısıyla, belirli zaman ve yerde
kullanılmayan spektrum bantlarını öğrenen yeni spektrum
tahsis metodları ve teknolojileri gereklidir. Dinamik
Spektrum Erişim (DSE) teknikleri spektrum tahsis
problemlerini çözmeyi amaç edinmiştir.
Çalışma ortamını gözlemleyip öğrenen ve çalışma
parametrelerini çevresine göre uyarlayan ve verimli
spektrum kullanımı için DSE kullanan genel sisteme Akıllı
Radyo Ağı (ARA) denir. Farklı hücrelerde spektrum
kullanımı farklılığı nedeniyle, spektrum boşlukları zaman ve
süre açısından değişmektedir ve farklı yerlerde boş bulunan
frekans bantları
da farklılık göstermektedir. ARA
kullanıcılarına servis sağlayabilmek için bu spektrum
boşluklarını diğer kullanıcılara zarar vermeden kullanır. Bu
nedenle ARA’da, iç ve dış radyo ortamında birçok
faktördeki değişiklikler (radyo frekans spektrumu, kullanıcı
davranışı, gürültü seviyesi, ağ durumu gibi) aktif ölçümlerle
gözlemlenmektedir.
Diğer taraftan, Gelecek Nesil Kablosuz Sistemler (GNKS)
birden çok teleiletişim teknolojilerinin kullanılmasına imkan
sağlamasıyla kapsama alanını genişletmeyi ve toplam iş
potansiyelini artırmayı hedeflemektedir [2]. Akıllı radyo [3]
GNKS ve DSE için mümkün kılacak ana teknoloji olarak
düşünülmektedir. Akıllı Radyo Hareketli Uçbirimi (AkHU),
Yazılım Tabanlı Telsiz (YTT) fiziksel platformu üzerinde
çalışan akıllı ve kablosuz haberleşme cihazı olarak
tanımlanmıştır [4]. AkHU çevresindeki spektrumla ilgili
bilgiyi radyo ortamından anlayıp öğrenebilmektedir ve
fiziksel radyo parametrelerini değişen spektrum şartlarına
göre ayarlayabilmektedir ([5], [6]). GNKS bağlamında, akıllı
radyo GNKS dahilindeki alt-sistemlerin avantajlarından
faydalanarak hareketli kullanıcıların spektruma dinamik
olarak erişmelerini ve spektrumu adil olarak paylaşmalarını
sağlar.
Literatürde, kullanılan bandın akıllı radyo kullanıcılarına
İkincil Kullanıcı (İK) ve lisanslı kullanıcılarına Birincil
Kullanıcı (BK) denmektedir [6]. İK’lar az kullanılan
bantlarda BK’lara zarar vermeden spektruma dinamik olarak
erişirler. Sonuç olarak, spektrum kullanımı ve fayda oranı
artar. Farklı spektrum paylaşım teknikleri düşünülerek [7]’de
ARA sistemlerinin potansiyel faydalarından bahsedilmiştir.
ARA temel işlevsellikleri aşağıdaki gibidir [6]:
Şekil 1- ARA Mimarisi Temel Elemanlar
Spektrum Algılama: Akıllı radyonun fiziksel katmanı radyo
spektrumu hakkında bilgi edinir ve frekanslar arası
boşlukları gözlemler. Spektrum algılama ile akıllı radyolar
BK’larla sinyal girişimi olmadan lisanslı bantlara
girebilmektedir.
Spektrum Yönetimi: Spektrumdaki frekans boşlukları
sinyal girişimi, sinyal yol kaybı, kablosuz link hata oranı,
link katmanı gecikme zamanı ve beklenen BK aktivitesi
açısından incelenir. Akıllı radyo en iyi kanalı analiz edilen
bantlar arasından servis kalitesini göz önünde bulundurarak
kendi ihtiyaçlarına göre seçer.
Spektrum Hareketliliği: Değişen radyo ortamı veya BK
aktivitesinden dolayı akıllı radyo kullanılan spektrum bandı
ve teknoloji değiştirmesi yapabilir ve haberleşmeye elde
edilen yeni frekans üzerinden devam edebilir.
Spektrum Paylaşımı: Akıllı radyo spektrumu diğer akıllı
radyolarla adil olarak paylaşabilir.
Bu bildirinin geri kalan kısmı şu şekilde düzenlenmiştir.
Bölüm 2’de, önerilen mimari yapıyı ve mimari yapıdaki
elemanları özetlenmektedir. Frekans boşlukları bulma ve
yönetimi ile ilgili algoritmalar ve yapılar Bölüm 3’te
verilmektedir. Bildiri, sonuç kısmında bu çalışmanın özeti
yapılarak bitirilmiştir.
2. ARA Mimarisi
ARA mimari yapısını sunarken aşağıdaki tanımlamalar
kullanılmıştır. Frekans Sahibi (FS), spektrum kullanımını
düzenlemekle
görevli
kurumla
(Türkiye’de
Telekomünikasyon Kurumu) yaptığı uzun süreli bir anlaşma
sonucu tahsis edilen spektrum bandını kullanma hakkına
sahip kurum veya kuruluştur. Akıllı Radyo Servis Sağlayıcısı
(ARSS) akıllı radyo servisi sunan ve kullanıcıları olan
operatör kuruluştur. ARSS tarafından kurulan Spektrum
Brokeri (SB) spektrum bantlarının aracılığını yapan
elemandır. Yine ARSS ağında bulunan Akıllı Radyo Telsiz
Erişim Terminali (AkTET) akıllı radyo kullanıcıları ile ARSS
arasında geçiş elemanıdır.
2.1. Altyapı Kullanımı
Bu mimaride ARSS’nin kendine ait bir ağının bulunduğunu
ve servis vermek istediği bölgede altyapısını kurmuş
olduğunu varsayılmaktadır. Altyapı kullanmak veya
kullanmamanın doğuracağı sonuçlar aşağıdaki gibidir.
Altyapı Kullanmanın Avantajları:
•
Altyapı kullanımı ile oluşturulacak hücresel yapıda
frekans yeniden kullanım planlamasının daha rahat
yapılabilmesi
•
Farklı teleiletişim sistemlerine uyarlanır yeni bir
protokol kullanabilmesi
•
Altyapı destekli güvenlik ve kimlik doğrulama
sistemlerinin kullanılabilmesi
•
Alıcı
devreleri
bulunmayan
yayın
haberleşmelerinin bantlarının da kullanabilmesi
•
Spektrum brokerlerinin frekans ilanı yapabilmesi
•
Frekans değiştirme işleminin daha kısa sürede
tamamlanabilmesi
Altyapı Kullanmanın Dezavantajları:
•
Altyapı elemanlarının gerekliliğinden dolayı
maliyetin artması
•
Uzun mesafeli haberleşmeden dolayı yüksek güç
gereksinimi
•
Yüksek sinyal girişimi
2.2. Mimari Elemanları
Önerilen mimarideki akıllı radyo sistemi, mevcut sistemlerle
aynı bölgede çalışabilmekte ve diğer sistemlerden bağımsız
olarak işleyişine devam edebilmektedir. ARA mimarisinin
önemli elemanlardan biri olan SB, ortamdaki frekans
boşluklarını öğrenme ve ARA sisteminde etkileşimde
bulunduğu elemanla gerekli mesajlaşmaları yürütmekle
yükümlüdür. Her ARA kendisine ait AkTET’ler aracılığı ile
kullanıcılara hizmet verir. AkTET’ler, gerekli frekans
ölçümlerini yapmakla da görevlidirler. Bu ölçümlerle, ARA
kapsadığı bölgeler hakkında belirli parametreleri öğrenir ve
duruma göre işleyişine yön verebilir. Örneğin sinyal-gürültü
oranı yükselen bir frekans bandındaki kullanıcıları başka
bantlara geçirebilir, hatta kullanılan modülasyonu sistemin
işleyişi sırasında değiştirebilir. Herhangi bir şekilde broker
sistemi veya akıllı radyo sistemi İK tarafından kullanılan bir
frekans bandında BK aktivitesi algılarsa, İK’nın başka bir
frekans bandı bulmasını ve spektrum hareketliliği sağlayarak
teleiletişimin yeni bulunan frekans bandı üzerinden devamını
sağlar.
ARA mimarisinde, ARSS frekans sahibi ile akıllı radyo
kullanıcıları arasında arabuluculuk yapar. SB spektrumdaki
frekans bantları arasındaki boşlukları takip edip bu
boşlukların asıl kullanım hakkına sahip olan elemanlarla
pazarlık yapmak ve bu bantların belirli koşullar altında
kullanım hakkını satın almak ve aracılık yapmakla
yükümlüdür. SB’nin uzun vadede yaptığı bu frekans takip ve
tahsisine uzun vadeli etkileşim diyoruz. Şekil 3’te uzun ve
orta vadeli etkileşim algoritması gösterilmektedir.
Önerilen sistem mimarisinde AkTET’ler doğrudan Internet’e
bağlıdır. ARA sistemiyle etkileşime geçmesi gerektiğinde
paketler Internet üzerinden sisteme iletilir. Kullanıcı
kayıtlarının tutulduğu sistem elemanı da Internet’e doğrudan
bağlıdır.
Şekilde bir numaralı kısımda yeni bir frekans bandına ihtiyaç
duyulduğunda neler yapılacağı özetlenmiştir. Spektrum
brokeri ihtiyaç durumunda veya ihtiyaç duyulana kadar
ölçümler yaparak frekans bantlarının parametrelerini öğrenir.
Frekans gerektiğinde karar verdiği frekans sahibine teklif
gönderir. Gönderilen teklif onaylanırsa, AkTET’ler yeni
frekanslar hakkında bilgillendirilir.
3.
Frekans Yönetimi
Bu sistemde frekans yönetimi için etkileşimler üç farklı
zaman aralığı ile tekrarlanır. Şekil 2’de frekans yönetimi için
hangi sistemlerin hangi süre grubunda etkileşimde bulunduğu
gösterilmiştir.
Şekil 2- Frekans Yönetiminde Zaman Ayrımı
Frekans sahibinin ilgili sistemi, ARA yapısı içerisinde
bulunan ilgili sistemlerle uzun vadeli bir etkileşimde bulunur.
Uzun vadeli etkileşim diğer etkileşimlere göre çok daha az
sıklıkta, T1 periyoduyla bir yapılır. Orta vadeli etkileşim T2
periyoduyla, kısa vadeli etkileşim de T3 periyoduyla
gerçekleştirilir.
İki numaralı kısımda ise SB en son durumu öğrenmek için
AkTET’lerden bilgi alır. Bu bilgilerle frekans bandı verileri
güncellenir. Talep artışı kaynaklı fiyat artışı olacaksa artış
miktarı hesaplanır. Artış miktarı eşik değerinden fazlaysa geri
besleme yapılarak birinci kısım tetiklenir. Artış miktarı eşik
değerinin altındaysa SB tablolarını günceller ve güncel
bilgiyi AkTET’lere gönderir.
Şekil 4’te kısa vadeli frekans tahsisinin adımları AkHU
tarafından bakılarak detaylandırılmıştır. Giden veya gelen
trafik durumu oluşursa AkHU frekans tahsis prosedürünü
başlatır. Aksi durumda ise, ARSS yoklama kanalını dinler.
AkHU başlatılacak trafiğin servis kalitesini ve sınıfını
belirleyip ve frekans ilan radyofarını dinler. İlanlardan uygun
olanları kendi ölçümleriyle doğrulayarak aday frekans
bantları tablosuna kaydeder. İlan radyofarındaki tüm ilanlar
dinlendikten sonra AkHU frekans fayda oranlarını hesaplar
ve en yüksek N tanesi için istekte bulunur. N parametresi
zamana ve trafik yoğunluğuna göre uyarlanabilir bir şekilde
tanmlanabilir. AkHU isteğine karşılık AkTET’in cevabının
gelmesini bekler. Cevap olumsuzsa prosedür baştan başlatılır,
olumlu ise frekans tahsis bilgisine göre frekans kullanılır.
Frekans tahsisi ile birlikte AkHU, frekansın geçerli olduğu
zaman sınırları içerisinde ve frekans tahsis kurallarına uyma
koşulu ile bu frekansı kullanma hakkını elde eder.
Şekil 3- Uzun ve Orta Vadeli Etkileşim
Kısa vadeli etkileşimin AkTET tarafında ise spektrumdaki
boşlukların parametrelerinin ve zaman sınırlarının ilanı ile
ilgili işlemler gerçekleşmektedir. AkTET tarafındaki
bilgilerin ilanı ile AkHU’lar istekte bulunur ve onay alarak
frekans boşluğunu kullanma hakkını belirli zaman sınırları
içerisinde edinirler. Periyodik olarak AkTET bu ilan
bilgilerini hazırlar, radyofarıyla yayımlar ve istekler için
bekler. Herhangi bir istek geldiğinde öncelikle kimlik
doğrulaması yapılarak kullanıcının sisteme kayıtlı olup
olmadığı ve kimliği doğrulanır. AkHU’nun isteği kontrol
edilir ve geçerli bulunursa, istenen frekans bantlarından
hangilerinin verilebileceği hesaplanarak geri cevap
gönderilir. Cevap olumlu ise belirli zaman dilimi için
belirlenen frekansın kullanım hakkı isteği yapan kullanıcıya
tahsis edilir. Tahsis işleminden sonra AkTET gerekli
tablolarını günceller ve kaynak yetersiz ise uzun vadeli
etkileşimi tetikler.
ARA kullanıcıları AkTET’ler aracılığı ile frekans boşlukları
hakkında bilgi edinip bu bantları İK olarak kullanım hakkı
elde edecektir. Bildiride ARA mimari elamanlarının etkileşim
algoritmaları özetlenip; uzun, orta ve kısa vadeli olmak üzere
sınıflandırılmıştır. Halen bu alanda kullanıcı kabul
algoritmaları ve sistemdeki kullanıcıların kullanmakta
oldukları frekans bantlarında BK iletişimi başlaması
nedeniyle frekans değişimi yapmaları için ayrılacak yedek
frekans bantı sayısı hesabı konusunda çalışmalarımız
sürmektedir.
5. Teşekkür
Bu araştırma kısmen Türkiye Bilimsel ve Teknolojik
Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) tarafından 104E032 onay
numarasıyla ve Boğaziçi Üniversitesi Bilimsel Araştırma
Projeleri (BAP) tarafından BAP04S104 onay numarasıyla
desteklenmektedir.
6. Kaynakça
[1] Spectrum
Policy
Task
Force
Report,
http://fjallfoss.fcc.gov/edocs_public/attachmatch/DOC228542A1.pdf
[2] Tugcu, T., Yilmaz, H. B., and Vainstein, F. 2006.
“Analytical Modeling of CAC in Next Generation
Wireless Systems,” Computer Networks Journal, Vol
50, No 17, pp. 3466-3484.
[3] Mitola III J., Maguire Jr G.Q. 1999. “Cognitive radio:
Making software radios more personal,” IEEE Personal
Communications, Vol 6, No 4, pp. 13-18.
[4] Jondral, F. K. 2005. “Software-defined radio: basics and
evolution to cognitive radio,” EURASIP Journal on
Wireless Communications and Networking. Vol 5, No 3,
pp. 275-283.
[5] Haykin, S. 2005. “Cognitive radio: brain-empowered
wireless communications,” IEEE Journal on Selected
Areas in Communications, Vol 23, No. 2, pp. 201-220,
2005.
[6] Akyildiz, I. F., Lee, W., Vuran, M. C., and Mohanty, S.
2006.
“NeXt
generation/dynamic
spectrum
access/cognitive radio wireless networks: a survey,”
Computer Networks 50, 13 (Sep. 2006), 2127-2159.
[7] Srinivasa, S., Jafar, S A. 2007. “The throughput
potential of cognitive radio - a theoretical perspective,”
IEEE Communications Magazine, Vol. 45, No. 5, 2007.
Şekil 4- Kısa Vadeli Etkileşim (AkHU Tarafı)
4. Sonuç
Bu çalışmada spektrum bantlarındaki boşlukları kullanarak
verimliliği artırmayı hedefleyen bütünsel bir ARA mimasi
önerilmiştir. Mimari kapsamında fiziksel katmanda çevre
faktörlerinin ölçümü ve frekans boşluklarının bulunmasıyla
ilgili algoritmalar bu çalışma kapsamında değildir. ARSS
operatörleri SB aracılığı ile frekans sahipleri ile anlaşacak ve