Tez No	İndirme	Tez Künye	Durumu
310711		Novel interference and spectrum aware routing techniques for cognitive radio ad hoc networks / Tasarsız bilişsel radyo ağları için girişim ve spektruma dayalı özgün yönlendirme teknikleri Yazar:AHMET ÇAĞATAY TALAY Danışman: YRD. DOÇ. DR. DENİZ TURGAY ALTILAR Yer Bilgisi: İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı Konu:Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control Dizin:Bilgisayar iletişimi = Computer communication ; Kablosuz ağlar = Wireless networks	Onaylandı Doktora İngilizce 2011 118 s.
Günümüzde insanlar giderek artan bir hızda kablosuz bağlantı özelliği bulunan cihazları kullanmaktadırlar. Örneğin, belirli bir sosyal alanda birçok kişinin dizüstü bilgisayarları ile internete bağlanmaya çalıştığını düşündüğümüzde dahi bu cihazların birbirlerine girişim yaratarak kendileri için ayrılmış erişilebilir tayf için bile yarış halinde olduklarını söyleyebiliriz. Söz konusu kablosuz cihazlara sadece dizüstü bilgisayarlar değil de cep/akıllı telefonların, çeşitli ölçüm ve gözlem işlemlerinde kullanılan duyargaların, büyük mağazalarda yaygınlaşan radyo frekansı tanımlama (RFID) etiketlerinin de dahil olduğunu eklememiz gerekir. Sonuç olarak, kablosuz iletişim teknolojisine dayanan pek çok cihaz ve bu cihazların kullanıldığı pek çok uygulama geliştirilmekte ve bizlerin hizmet ve beğenisine sunulmaktadır. Her geçen gün daha da artan yoğunlukta kullanılan bu cihaz ve uygulamalar ise yüksek performans sergilemek için büyük miktarda veri akışı gerçekleştirmekte ve geniş bant veri iletişimine ihtiyaç duymaktadırlar. Bu tip veri iletişiminin yapıldığı elektromanyetik tayf ise sınırlı bir doğal kaynaktır ve en etkin biçimde kullanılması gerekmektedir. Söz konusu elektromanyetik tayf birçok ülkede yetkili kamu kurumları tarafından yönetilmektedir. Yetkili kurumlar genel olarak tayfı belirli bölümlere sabit olarak ayırmakta ve belirli bir erişim/iş için lisanslayarak kullanıcılara sunmaktadır. Ancak yapılan araştırmalar söz konusu dağıtım sonucu oluşan bölümlerden bazılarının neredeyse hiç kullanılmadığı ve anlık olarak elektromanyetik tayfın yaklaşık \% 70'inin boş kaldığını gözler önüne sermektedir. Söz konusu verimsiz kullanım ve yüksek hızlı kablosuz ağlara artan rağbet nedeniyle elektromanyetik tayfın etkin ve ekonomik kullanımı çok önemli bir araştırma alanı haline gelmiştir. Lisanslı spektrumu etkin şekilde kullanma ve paylaşmaya olanak sağlaması nedeniyle radyo spektrumundan yararlanma potansiyelini arttıran bilişsel radyo teknolojisi bu alandaki en önemli teknolojidir. Bilişsel radyo teknolojisi, temel olarak lisanslı (birincil) kullanıcı üzerinde yaratılan girişimin önceden belirlenmiş belirli bir sınır değer altında kaldığı sürece radyo tayfının lisanssız (ikincil) kullanıcılar tarafından verimli bir şekilde tekrar kullanımı ve paylaşımı ilkesine dayanmaktadır. Bu ilke, bilişsel radyo teknolojisi anlık olarak lisanslı kullanıcısı tarafından kullanılmayan lisanslı tayftaki boşluklarda lisanssız kullanıcıların lisanslı kullanıcıların işleyişlerine zarar vermemek koşulu ile "yasal olarak" söz konusu lisanslı tayfı kullanabilmelerine olanak sağlamıştır. Bir başka deyişle, bilişsel radyo ağlarındaki ikincil kullanıcıların, birincil kullanıcıların tayfına fırsatçı bir şekilde erişimine imkan sağlamaktadır.Bilişsel radyo teknolojisi radyonun çalışma karakteristiklerini çevrenin anlık gerçek zamanlı koşullarına göre adapte ederek, esnek, verimli ve güvenilir tayf kullanımı için anahtar teknoloji haline gelmiştir. Bahsedilen özellikleri nedeniyle bilişsel radyo teknolojisi lisanslı kullanıcılara herhangi bir zarar vermeksizin büyük miktardaki kullanılmayan spektrumu etkin bir şekilde kullandırma potansiyeline sahiptir. Söz konusu potansiyelden faydalanmak üzere bilişsel radyo ağları tasarlanırken üzerinde önemle durulması gereken en önemli konulardan bir tanesi de yönlendirmedir. Çalışmamızda bilişsel radyo ağlarında kullanılmak üzere önerilen yönlendirme protokolleri hakkında bir bakış açısı sunulmakla beraber asıl olarak girişim ve tayfa dayalı özgün yönlendirme protokolleri önerilmektedir. Öncelikle, spektrum kullanım karakteristikleri ve ağdaki akışların yarattığı girişim göz önüne alınarak yönlendirme ölçütleri tasarlanmıştır. Yönlendirmenin etkin yapılabilmesi için önerilen ölçütler, tamamen tasarsız bilişsel radyo ağ özellikleri göz önüne alınarak üretilmiştir. Bilişsel radyonun en önemli özelliklerinden birisi etkin boş tayf seçimi ve kullanımı olduğundan öncelikle tayf kullanımı hakkında bilgi edinmeye yönelik olarak tayf sezme geçmişi ve tayf doluluk oranına dayanan bir ölçüt türetilmiştir. Söz konusu ölçüt bir kayan pencere kullanarak tayf doluluk süresini takip eden ve boş/dolu geçişlerini de dikkate alan bir ölçüttür. Göz önüne alınan diğer bir ölçüt ise, ağ başarımını doğrudan etkilediği önceki çalışmalarla ortaya konulmuş olan girişimi dikkate alan bir ölçüttür. Söz konusu girişim ölçütü, hem birincil hem de ikincil kullanıcıların aktivitelerinden kaynaklanan girişimi kontrol ederek, girişimin düşük olduğu tayfın ve rotanın seçilmesine olanak sağlamaya yöneliktir. Girişim ölçütü ortam gürültüsü ve mevcut akışlardan kaynaklanan girişimi ölçmeye çalışmaktadır. Söz konusu ölçüt, gönderdiği paketlerden ve çevre düğümlerden elde ettiği bilgileri kullanarak bir girişim değeri üretmektedir. Bahsedilen ölçütler bir parametre ile orantılı olarak birleştirilerek tek bir ölçüt haline getirilmiş ve tayf seçimi ve rota seçimi türetilen bu ölçüt göz önüne alınarak gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, bahsedilen yönlendirme ölçütlerine ek olarak bilişsel radyo ağları için otonom dağıtık uyarlanır menzil kontrol stratejisi önerilmiştir. Önerilen menzil kontrol stratejisi, birincil kullanıcı sezilmesi durumunda birincil kullanıcıyı sezen tüm bilişsel radyo düğümlerinin iletim menzillerini sezilen birincil kullanıcıya girişim yaratmayacak şekilde otonom olarak değiştirmesi ilkesine dayanmaktadır. Bu önerilere ek olarak dağıtık ve etkin bir kümeleme tabanlı yönlendirme protokolü geliştirilmiştir. Söz konusu yönlendirme tekniği temel olarak bilişsel radyo düğümlerinin sezilen tayf bilgisi, iletim gücü, hareketlilik bilgileri gibi birçok sistem parametresine bağlı olarak kümelenmesine dayanmaktadır. Yönlendirme küme içi ve küme dışı olarak iki ayrı şekilde gerçekleştirilmektedir. Küme dışı yönlendirmede sadece küme başları kullanılarak iletim gerçekleştirilmektedir. Rota seçimi ise önerilen yönlendirme ölçütlerine dayanılarak gerçekleştirilmektedir. Ancak, tüm düğümler tek atlama uzaklıktaki komşuları ile doğrudan iletişime geçebilmektedir. Son olarak, bilişsel radyo ağları için otonom dağıtık uyarlanır menzil kontrol stratejisi ve spektrum erişebilirliği ve girişim maliyeti ölçütlerini bir arada kullanan özgün bir yönlendirme protokolü önerilmiştir. Söz konusu yönlendirme tekniği içerisine birde rota uyarlama ve koruma yöntemi dahil edilerek bulunan rotaların anlık duruma bağlı olarak değiştirilmesi veya onarılması amaçlanmıştır. Önerilen yeni yönlendirme ölçütlerin kullanımı nedeniyle önerilen teknik trafiği kullanılabilir tayfın daha çok ve girişimin daha az olduğu rotalara yönlendirmektedir.NS2 benzetim ortamı kullanılarak gerçekleştirilen testler, önerilen yöntemlerin bilişsel radyo ağlarına uygunluğunu ve ağ başarımını arttırdığını göstermiştir. Ayrıca güncel bilişsel radyo teknolojisini kullanan diğer yöntemlerle karşılaştırıldığında önerilen protokollerin hem uçtan uca veri aktarımını arttırdığı hem de uçtan uca gecikmeyi azalttığı ve başarımlarının daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir.
Everyday a new device, an application or a service is being developed requiring broadband wireless communication all of which are more frequently being used by majority of people. Consequently, there is a growing demand for high-speed wireless network that is acknowledged as a key technology for low-cost internet access as well as next-generation wireless networking services in personal use, as well as local, campus-wide, and metropolitan areas. Therefore, radio spectrum becomes one of the most heavily used and expensive natural resource around the world and have to be used efficiently. Radio spectrum is managed by the government authorities in many countries. Such authorities allocate the radio spectrum in bands of frequency of varying widths. Those frequency bands are licensed to specific users/purposes. Legally, those users own and have the right to use the frequency bands on a long term basis over vast geographical regions. Although almost the entire spectrum suitable for wireless communications has been allocated, recent studies and observations indicate that nearly 70\% of the radio spectrum is not used for either a significant amount of time or in certain geographical areas while unlicensed spectrum bands are always crowded. Since inefficient usage and growing bandwidth demand constitute a bottleneck in communication, efficient and economic usage of the spectrum has become an important and challenging research area. Advancement of cognitive radio technology that allows dynamic spectrum access temporally and spatially in an intelligent way has potential to remedy the problems encountered from spectrum shortage since it is considered as a promising direction for improving the performance of wireless networks.Cognitive radio technology is based on efficiently reusing and sharing the licensed spectrum bands as long as the interference power inflicted on the primary users of the band remains below a predefined threshold level. With the advances in cognitive radio networking which relies on exploiting unused spectrum, there is a growing need to study how to design a cognitive radio network using an automated methodology to fully exploit the potentials of the cognitive radio networking. To design such mobile cognitive radio networks, routing is one of the key challenging issues to be addressed and requires deep investigation. Thus, the problem of designing effective routing solutions in cognitive radio ad hoc networks is the main focus of this thesis. Additionally, the essential aim is to optimize routing by fully exploiting the sensing history and the spectrum occupancy statistics while avoiding the interference to the primary user. As a starting point, insights about previously suggested and potential routing approaches that can be employed are given. Taking these insights into consideration, novel interference and spectrum aware routing techniques for cognitive radio ad hoc networks are proposed. Since the performance of the routing techniques depends on the routing metric, the proposed routing metrics are specifically tailored for cognitive radio ad hoc networks. Therefore, the spectrum usage characteristics, and the interference created by existing flows in the network both from the primary and secondary users are taken into account to define novel routing metrics. While protecting the primaries' ongoing activity and observing the activity behavior of the primary nodes, the designed metric should guarantee the stability of the route for the cognitive radio nodes. In order to realize this, the desirable properties of the spectrum availability cost and interference cost metrics are combined into a single metric by taking their weighted average with a tunable parameter. The weighted average can be viewed as an attempt to balance between the spectrum availability cost and interference cost metrics. The proposed metric provides higher performance in cognitive radio ad hoc network environment, since it takes into account the packet losses, the bandwidth of each link, primary user activity, and the stability of each link. Another approach used in this thesis is partitioning the network into smaller segments, that is, clustering. Clustering in mobile ad hoc networks provides with some important benefits including optimizing bandwidth usage, balancing distribution of resources and resolving scalability issues in combination with routing schemes. Making use of clustering, a cluster-based routing technique for mobile cognitive radio ad hoc networks, UNITED, is proposed for maximizing the network throughput and minimizing the end-to-end delay. The key concept is to use clusters to adapt such a dynamic cognitive radio environment and performing routing in intra- and inter-cluster levels. Initially, nodes organize themselves into several clusters by the clustering algorithm that is based on a combined weight metric which takes into account several system parameters such as distance, transmission power, mobility, remaining power of nodes, and the sensed information about available spectrum. Following completion of cluster formation, routing is done according to the spectrum usage and interference metrics in intra- and inter- cluster domains. Clusters adapt themselves dynamically with respect to spectrum availability, and the high mobility of the nodes based on the calculated metric. In addition to the mentioned contributions, an autonomous distributed adaptive transmission range control scheme for cognitive radio ad hoc networks is proposed. This scheme simultaneously considers the quality of service requirements of primary and secondary users. Range Adaptive Cognitive Radio Networks (RAC) is proposed by utilizing mentioned adaptive transmission range scheme. RAC mechanism is based on self-adjusting variable transmission range of secondary users to keep communication link alive or to find an alternative path that circumvents the primary user activity. It is a simple yet an efficient approach to utilize throughput by dynamically changing transmission range when needed. The key feature of the proposed strategy is that, a cognitive radio user can maximize its achievable throughput and minimize end-to-end delay by dynamically changing its transmission range without imposing interference to any primary user. As another contribution, the self adaptive routing (SAR) technique is also proposed. SAR technique incorporates novel metrics and autonomous distributed adaptive transmission range control mechanism to provide self adaptivity. In order to meet the requirements of self adaptivity, a route adaptation and route preservation method that continuously maintains and optimizes an established route is also incorporated into the self adaptive routing technique. As a consequence, the proposed technique routes traffic across paths with better spectrum availability and reduced interference via designed routing metrics.Extensive experimental evaluations are performed in the ns2 simulator to show that proposed techniques provide better adaptability to the environment and maximize throughput, minimize end-to-end delay in a number of realistic scenarios. The simulation results illustrate that proposed techniques outperform recently proposed routing techniques developed for cognitive radio ad-hoc networks.