Cognitive communication techniques for next-generation heterogeneous networks

Abstract

Son dönemlerde bilişsel radyo tayf kıtlığı sorunu için umut vaadedici bir çözüm olarak belirmiştir. Bilişsel radyo, fırsatçı ve dinamik tayf erişimi yeteneği sayesinde gelişmiş tayf kullanımı ve artırılmış iletişim kalitesi gibi çekici özellikler sağlamaktadır. Ancak bu kabiliyetler tayf algılama ve tayf yönetimi gibi ek görevleri gerekli kılarlar. Önümüzdeki yıllarda bilişsel radyonun kablosuz algılayıcı ağlar, akıllı şebekeler, makineden makineye haberleşme, toplum koruma ve afet yardımı ağları ve araç ağları gibi alanlarda kullanılması öngörülmektedir.Bilişsel radyonun kullanımı için her bir alandaki ek yetenekler ile yeni gereksinmeler arasındaki dengeyi sağlayacak en uygun tekniklerin belirlenmesi gerekmektedir. Bu tezde amacımız farklı ağ platformlarının karakteristiklerinden faydalanarak özel tasarlanmış bilişsel radyo tabanlı çözümler geliştirmektir. Önceden bahsedilmiş olan alanlardan herbiri için bilişsel radyonun, özellikle tayf kıtlığı sorununu aşmak için, nasıl kullanılabileceği ile ilgili kapsamlı tartışmalar sunulmuştur. Ardından, bilişsel radyo algılayıcı ağlar için tayf algılama, hız maksimizasyon ve ulaşılabilir güvenilirlik için çözümler sunulmuştur.Daha belirgin ifade etmek gerekirse, kaynağı kısıtlı bilişsel radyo algılayıcı ağlar için iki aşamalı tayf algılama çözümleri sunulmuştur. Birinci aşamada boş olma ihtimali yüksek olan kanalları kabaca kestirilmektedir. İkinci aşamada daha kesin bir algılama yöntemi kullanılarak boş kanallar daha yüksek bir hassasiyetle belirlenmektedir.Elektromanyetik enerji depolayan bilişsel radyo ağları için hız maksimizasyonuna ilişkin analiz sunulmuştur. Ayrıca, akıllı şebeke ağları için fırtsatçı tayf erişimi ile erişilebilecek en yüksek güvenilirliğe ilişkin inceleme de verilmiştir. Bu analiz için özel olarak akıllı şebeke ağlarını tercih etmemizin sebebi, gerek pahalı şebeke ekipmanını korumak için, gerekse uyarlanabilir ücret belirleme için, güvenilirliğin bu ağlarda son derece önemli bir gereksinim olmasıdır.Toplum koruma ve afet yardımı ağlarında bilişsel radyo kullanımının geçerliliği tartışılmış ve bilişsel radyo tabanlı bir ağ mimarisi önerilmiştir. Önerilen yapının literatürdeki alternetifleri ile karşılaştırılması sunulmuştur. Benzetim sonuçları, uygun kullanıldığında, bu sistemlerde bilişsel radyonun önemini göstermektedir.Son olarak, bilişsel araç ağlarında yönlendirme konusu ele alınmıştır. Bu ağ türünün dinamik doğasından ortaya çıkan zorluklar ve bunun yanı sıra, bu ağlara has avantajlar listelenmiştir. Araç ağları ve bilişsel araç ağlarında yönlendirmeye yönelik literatürdeki çalışmalar incelenmiştir.

Recently, cognitive radio emerged as a promising solution to spectrum scarcity problem. Cognitive radio introduces appealing features such as improved spectrum utilization and increased communication quality by making use of opportunistic and dynamic spectrum access. However, these capabilities impose additional tasks like spectrum sensing and spectrum management. In the following years, cognitive radio technology will inevitably be used in various network platforms, such as wireless sensor networks, smart grid, machine-to-machine communications, public protection and disaster relief networks, and vehicular networks. In each of the areas where cognitive radio is to be introduced, optimal techniques that address the trade-off between additional capabilities and requirements of cognitive radio must be developed. The aim of this thesis is to intelligently exploit the characteristic of various network platforms to develop cognitive communication solutions tailored specifically to each of them. For the areas mentioned earlier, we provide a comprehensive discussion of how cognitive radio technology may be applied to alleviate the problems, mainly related to spectrum scarcity. Then we present solutions related to spectrum sensing, throughput maximization and achievable reliability for cognitive radio sensor networks as applied to some of these communication systems. Specifically, we present our solutions for a two-stage spectrum sensing technique developed for resource constrained cognitive radio sensor networks. The first stage is to determine roughly a set of channels which are more likely to be available. In the second stage, a more accurate fine sensing scheme is used to locate vacant channels with higher precision.We also present our analysis on throughput maximization for electromagnetic energy harvesting cognitive radio networks, as well as an analysis of achievable reliability under opportunistic spectrum access for cognitive sensor-actor networks in smart grid. We target smart grid specifically for the later analysis, since reliability is a key requirement in both securing expansive backbone smart grid equipment and adaptive pricing using up-to-date demand response information.We discuss the viability of using cognitive radio technology in public protection and disaster relief networks, and propose a network architecture based on cognitive radio. We present comparisons of our architecture with the state-of-the-art and give simulation results to emphasize the importance of cognitive radio when used properly in such systems.Finally, we investigate the routing problem in cognitive vehicular networks. We list the challenges for routing in this network type, mainly due to its highly dynamic nature. We also lay out the advantages that are specific to vehicular networks. We present the state-of-the-art on both routing for vehicular and cognitive vehicular networks and discuss open research areas.