QoS aware spectrum management framework in cognitive radio networks

Abstract

Günümüzde kablosuz ağ tasarlanırken, resmi birimler tarafından düzenlenen vekontrol edilen sabit spektrum lisans dağıtım sözlesmeleri dikkate alınır. Budağıtılan spektrumun büyük bir kısmı düzensiz bir sekilde kullanıldığındanspektrum bantları verimsiz kullanılmaktadır. Yetkili kurumlar tarafındanstatik olarak dağıtılmıs olan spektrumun kullanımını dinamik hale getirerekkullanımdaki verimsizliğin giderilmesi amaçlanmaktadır. Bu bağlamda, BilisselRadyo adı verilen teknoloji ile, kablosuz kullanıcılara değisik frekanslarda dinamikolarak çalısma olanağı tanınmaktadır. Bilissel radyolar dinamik spektrumerisim teknikleri ile bu sorunları çözmek için önerilmis bir teknolojidir. Buteknoloji temeliyle olusturulan ağlara Bilissel Radyo Ağları denmekte, bu ağınkullanıcılarına, seyrek kullanılan lisanslı frekanslar arasında geçis yaptırılarak,iletisim olanağı verilmektedir. Bilissel Radyo Ağlarında olusturulan spektrumyönetimi, spektrumu kullanma hakkına sahip birincil kullanıcılara engel olmadan,elverisli spektrum bandlarının bulunması ve bunun ikincil kullanıcılar arasındapaylastırılması olarak tanımlanabilir. Bilissel ağ kullanıcısına sağlanan budinamik özellik, frekansın lisanslı gerçek kullanıcısıyla girisim yapmamasıkosuluyla verilmektir. Böylece bilisim radyo ağı kullanıcıları, lisanslı kullanıcılarınsahip olduğu frekansı seyrek kullanmasından faydalanarak, o frekansta iletisimegeçmektedir. Lisanslı kullanıcının sahip oluğu bu frekansa geri dönmesihalinde, bilissel kullanıcılar frekansı bosaltmakla ve lisanslı kullanıcıyla girisimegeçmemekle yükümlüdürler. Buradaki elverisli spektrum bandları, değisikspektrum sezme teknikleriyle belirlenir. Elverisli spektrum sadece hattınzaman degisim karakteristiklerinden değil, birincil kullanıcıların spektrumukullanma aktivitelerine göre değisiklik gösterir. Ikincil kullanıcılar (Bilissel ağkullanıcıları) için elverisli spektruma erisim teknikleri, bilissel radyonun en uygunspektrum bandını seçmesine olanak sağlamaktadır. Bunun yapılabilmesi içingerçeklestirilen fonksiyonlardan biri Spektrum Sezme'dir. Burada, kullanılmayanspektrum bandlarının saptanabilmesi ve bu bandların, birincil kullanıcılarıniletisimine engel olabilecek çakısmalara sebep olmadan ikincil kullanıcılarlapaylasılabilmesi esas alınır. Bir diğer fonksiyon, Spektruma Karar Verme'dir. Buislev, bilissel ağ kullanıcıları tarafından sezilen birden fazla spektrum bosluğuvarsa bunlardan en uygun olanının bilissel ağ kullanıcılarının istediği serviskalitesine göre kullanımına karar verilmesidir. Bir diğer temel fonksiyon olanSpektrum Paylasma, birincil kullanıcıların iletisiminin etkilemeden aynı spektrumbandını kullanan ikincil kulllanıcılar arasında hem adil hem de yüksek debili birpaylasım sağlanabilmesidir. Tanımlabilecek baska bir fonksiyon olan SpektrumHareketliliği islevi, ikincil kullanıcıların spektrumun gerçek sahibi geldiğindespektrumunu değistirebilmesidir.Bilissel ağlarda spektrum yönetimini olusturan spektrum sezme, spektruma kararverme ve spektrum paylasımı fonksiyonlarında çözülmesi ve iyilestirilmesi gerekenbirçok sorun bulunmaktadır. Bu bağlamda, bu tezde, bu üç islev ayrı ayrıincelenmektetir:• Spektrum sezilme fonksiyonu sırasındaki etkinliği arttırmak amacıyla yenibir birincil kullanıcı modellemesi ihtiyacı olusturulmustur. Tasarlanan yenimodelde, birincil kullanıcı aktivitelerinin kısa süreli salınımlarının sezilmesive modellenmesi bir kümeleme algoritması tasarlanarak gerçeklestirilmis,elverisli spektrum bosluklarının matematiksel olarak modellenmesi ise, aktivitedatasının korelasyon bağıntısı kullanılarak hesaplanmıstır.• Ikincil kullanıcılar için bir ,spectruma kara verme yapısı modellenmis, bumodelde hem birincil kullanıcı aktivitelerinin kısa zamanlı değisimleri, hemde ikincil kullanıcıların servis kalite istekleri göz önüne alınmıstır.• Bilissel tasarsız ağlar için, ağdaki diğer bilissel kullanıcıların bilgilerininde kullanıldığı müsterek ve dağıtık bir spektruma karar verme yapısıtasarlanmıstır.• Ikincil kullanıcıların servis istekleri ve birincil kullanıcılarının kısa zamanlıspektrum kullanımındaki değisimler dikkate alınarak bir spektrum paylasımyapısı tasarlanmıs ve modellenmistir.• Hem birinci (fiziksel) hem de ikinci (veri bağı) katmanlarındaki bilgilermodellenerek bir çapraz katman yapısı olusturulmustur.Tezde tasarlanan tüm modeller genis bir basarım incelemesiyle, literatürdekigüncel bilissel ağ çalısmalarıyla karsılastırılmıstır.

The problems of the spectrum scarcity, as well as the unbalanced and sporadicusage of the fixed spectrum assignment, have been addressed by a newcommunication paradigm, called Cognitive Radio (CR). This key enablingtechnology uses dynamic spectrum access techniques in order to achieve aneffective spectrum management paradigm in the licensed bands. In the spectrummanagement of CR networks, the vacant spectrum bands of primary users (PUs)are opportunistically shared by the CR users. Since PUs have priority toutilize the licensed spectrum, their communication should not be interruptedor interfered by any other user. Therefore, CR users should intelligently senseand determine the ongoing PU activities in a licensed spectrum band to avoidinterference with PUs. This concept is also called the spectrum sensing functionin CR spectrum management paradigm. In spectrum sensing, the PU activitiesneed to be accurately modeled so that CR users can evacuate the band withoutaffecting PU activities. CR users also need to detect spectrum holes to identifytransmission opportunities so that the spectrum usage is maximized. Moreover,considering the PU activity, the CR users should decide on the best availablespectrum bands for their transmissions. This is the part of the spectrum decisionfunction of the spectrum management paradigm in CR networks. It is seenthat the spectrum decision, must be organized carefully by considering thechallenges in the spectrum availability over time, the short term fluctuationsin the availability, and the heterogeneous Quality of Service (QoS) requirementsof the CR users. Since CR users should share the available spectrum bandswith other CR users without causing harmful interference to the PUs, spectrummanagement in CR networks should also be designed with effective spectrumsharing function. To achieve this function, first, CR users should intelligentlymonitor and determine the presence of PUs. When CR users managed to detectthe spectrum holes to identify transmission opportunities, they should share theavailable spectrum according to their heterogeneous QoS requirements. Moreover,the assignments of the available spectrum bands should be realized according tothe activities of the PUs in the spectrum as well as the throughput requirementsof the CR users. Besides, another important point in the spectrum managementis that CR users should evacuate the spectrum band when the PU of that bandstarts using it again. Therefore, a spectrum mobility function in the spectrummanagement is needed in order to organize the spectrum switching issues of theCR network.This thesis has contributions related to spectrum sensing, decision and sharingfunctions of the spectrum management paradigm. When working on eachcontribution, our final aim was to enhance the performance of overall cognitive radio spectrum management system. Our contributions could be itemized brieflyas below:• A novel PU activity model based on the first-difference filter clustering andenhanced with temporal correlation statistics is introduced to analyze andmodel the spectrum sensing function in CR networks.• A QoS aware spectrum decision framework is proposed, in which theavailable spectrum and the heterogeneous QoS requirements of CR users arecharacterized. This framework is used to model the spectrum decision functionin centralized CR networks,• In order to use the available spectrum as efficient as possible, a cooperative anddistributed spectrum decision mechanism is proposed, to model the spectrumdecision function in CR ad-hoc networks (CRAHNs).• A QoS-based spectrum sharing mechanism, where the heterogeneous QoSrequirements of CR users are characterized, is proposed to enhance thespectrum sharing function.• A physical layer-data link layer based cross-layer spectrum assignment forcentralized CR networks is proposed to analyze the affects of the cross-layerapproaches in spectrum sharing.Each proposed scheme for the spectrum management functions is evaluated withthorough performance analysis and compared with the existing architectures inthe CR network literature.