Coexistence of cognitive radio based networks in tv white space

Abstract

En önemli doğal kaynaklardan biri olan RF tayfı, gelişen kablosuz haberleşmelerdeki artan veri hızları sebebiyle daha da önemli hale gelmiştir. Bu kısıtlı tayfı daha verimli kullanmak ve kıtlık sorununu çözmek için, düzenleyici kurumlar lisanssız ağlara ya da ikincil kullanıcılara (SUs), birincil kullanıcılara zararlı olacak girişim yaratmamaları koşuluyla lisanslı bantlara erişip kablosuz haberleşme yapabilmeleri için onay vermiştir. Bilişsel radyo (CR) teknolojisi aygıtların tayfa fırsatçı bir şekilde erişebilmelerini sağlar. CR tabanlı ağları kullanarak, lisanslı bandlar kablosuz haberleşme için daha verimli bir şekilde kullanılabilinir. TV Beyaz Boşluğu (TVWS) önceden sadece lisanslı karasal TV yayınlarına ayrılmış ve şimdi de düzenlemeler altında ikincil kullanıcıların da kullanımına açılmış tayfı kastetmektedir. Düzenlemeler TVWS'te bulunan lisanslı kullanıcıları zararlı girişimlerden korurken, lisanssız kullanıcılar arasındaki girişimi önleme daha çok üreticilere bırakılmıştır. Bu nedenle, TVWS ağları arasında yeni bir birlikte varolma yaklaşımına ihtiyaç vardır. Birlikte varolma metotlarından biri olan meşgul tonu (BT) yayınımı, TVWS ağları tarafından seçilen frekans bandının dolu olduğunu haber vermek için kullanılabilinir. Bu tezde, TVWS bandında çalışan kablosuz yerel alan ağı (WLAN) (ör: IEEE 802.11af ağı) için meşgul tonu tabanlı bir birlikte varolma algoritması önerilmiş ve kablosuz bölgesel alan ağının (WRAN) (ör: IEEE 802.22 ağı), meşgul tonu yayıncısı olduğu var sayılmıştır. Önerilen algoritma, log-normal gölgeleme etkisini, erişim noktası etrafındaki kullanıcı dağılımlarını, ve kullanıcı sayılarını dikkate alarak detaylı bir şekilde analiz edilmiş, girişim yapan paket oranı ve başarılı paket gönderme oranı için kesin ifadeler bulunup, doğrulukları da farklı senaryolarda simülasyonlar ile onaylanmıştır. Sonuçlar göstermektedir ki, önerilen birlikte varolma yaklaşımı ile WLAN güvenilir bir şekilde meşgul tonunu fark edip, frekans bandını değiştirebilir ve WRAN'a yapılan girişimi azaltabilir. WLAN için uygun frekans bandı olmasa dahi, WRAN iyileştirilmiş paket gönderim performansını sürdürmeye devam edebilir. Önerilen algoritmanın uygulanması TVWS bandları gibi girişimin düzenlenmediği bilişsel kablosuz bölgesel ve yerel alan ağlarının başarılı bir şekilde birlikte varolabilmeleri için önemlidir.

Due to increasing data rates in enhancing wireless communications, RF spectrum, which is one of the most crucial natural sources, has become more valuable. In order to utilize the limited spectrum efficiently and solve the scarcity problem, regulatory agencies granted unlicensed networks or secondary users (SUs) access to licensed bands for wireless communication with the condition that they should not cause harmful interference to primary users (SUs). Cognitive radio (CR) technology enables devices to access the spectrum opportunistically. Using CR based networks, licensed bands can be utilized more effectively for wireless communications. TV White Space (TVWS) refers to portions of the RF spectrum that was reserved only for licensed terrestrial TV broadcasting and is opened to unlicensed use under regulatory conditions. While regulations protect licensed systems inTVWS from harmful interference, interference prevention among unlicensed systems is left mainly to manufacturers. Consequently, there is a need to develop new coexistence approaches between TVWS networks. Busy tone broadcasting is a coexistence method, which can be used by TVWS networks to announce that the selected frequency band is occupied. In this dissertation, a busy tone based coexistence algorithm is proposed for wireless local area networks (WLANs) operating in TVWS (i.e., IEEE 802.11af based networks), where wireless regional area network (WRAN) (i.e., IEEE 802.22 based network) is assumed to be the busy tone broadcaster. The proposed algorithm is analyzed in detail considering the effects of log-normal shadowing, client distribution around the access point and the number of clients, where exact interfering packet rate and successful packet transmission rate expressions are obtained and validated by simulations for different scenarios. The results show that with the proposed coexistence approach, a WLAN can reliably detect the busy tone signal to change its frequency band and can reduce interference to WRAN. Even if there is no available frequency band for the WLAN, the WRAN still maintains its enhanced successful packet transmission performance. The deployment of the proposed algorithm is important for successful coexistence between cognitive wireless regional and local area networks, where interference among networks is not regulated, such as in TVWS bands.