Akıllı Radyo Ağları İçin Bütünsel Bir Mimari An Entire
Transkript
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