Bilişsel Radyo Ağları (Cognitive Radio Networks - CRN)

Bilişsel Radyo Ağları (Cognitive Radio Networks - CRN)

Bilişsel Radyo teknolojisinin açıklanması

Kablosuz iletişim sistemleri için gerekli olan frekans spektrumu doğal olarak kısıtlı ve oldukça değerli bir kaynaktır. Birçok ülkede mevcut spektrum bandlar neredeyse tamamen tahsis edilmiş ve spektrum kıtlığı problemi kendini göstermeye başlamıştır. Türkiye’de spektrum bandı tahsis etme işleminin dağılımı Şekil 1’de verilmiştir. Dünya ölçeğinde spektrumun kullanımına ilişkin uluslararası koordinasyon ve yükümlülükler Uluslararası Telekomünikasyon Birliği (International Telecommunication Union, ITU) tarafından belirlenmektedir. Bunun yanı sıra bölgesel koordinasyon için bölge ülkelerinin oluşturduğu Avrupa Haberleşme Komisyonu (European Communication Commission, ECC) ve ABD'nin eyaletler arası ve uluslararası radyo, televizyon, telefon, uydu ve kablo iletişmini denetleyen bağımsız bir devlet dairesi olan Federal İletişim Komisyonu’nun (Federal Communications Commisions - FCC) tarafından sağlanmaktadır. Spektrum kıtlığına neden olan temel faktör, statik spektrum bandı kullanımı ve esnek olmayan atama nedeniyle spektrumun verimsiz kullanımıdır. Mevcut durumdaki kablosuz ağlarda birçok farklı uygulama ve servis, birbirlerine girişim yaratmayacak şekilde kullanıcıları destekleyebilmek için sabit spektrum erişimi (Fixed Spectrum Access, FSA) tekniği izlemektedir. Böylelikle sadece lisanslı kullanıcılar kendilerine tahsis edilmiş bandı kullanabilirken, spektrum bandı boş olsa dahi tanımlı olmayan diğer kullanıcıların bandı kullanmasına izin verilmemektedir. Bu probleme çözüm getirebilmek, spektruma erişimi kolaylaştırmak, spektrum bandlardan daha fazla kullanıcının yararlanmasını ve mümkün olan en fazla verimin elde edilmesini sağlamak amacıyla dinamik spektrum erişim teknikleri (Dynamic Spectrum Access, DSA) geliştirilmiştir. Bu tekniklere imkân veren Bilişsel Radyo (Cognitive Radio, CR), spektrum yetersizliğine sunmuş olduğu çözümlerle verimliliği artırabilecek, artan kullanıcı sayısı ve servis taleplerini karşılayabilecek olması nedeniyle, gelecek nesil kablosuz teknolojilerden biri olarak karşımıza çıkmaktadır.

Şekil 1. Milli spektrum tahsisi


Bilişsel radyo, radyo ortamının farkında olan, ortam ile etkileşimine bağlı olarak girişimi önlemek ve iletim hızını artırmak amacıyla verici parametrelerini (frekans bandı, verici gücü, modülasyon tipi gibi) dinamik olarak değiştirebilen akıllı bir kablosuz haberleşme sistemi olarak tanımlanmaktadır. Bilişsel radyo kavramı ilk olarak 1999 yılında Joseph Mitola ve Gerald Q. Maguire tarafından ortaya atılmıştır ve bu kavramın sonucu olarak kablosuz bölgesel alan ağlarında (Wireless Regional Area Networks, WRAN)
bilişsel radyonun kullanımını hedefleyen IEEE 802.22 standardı geliştirilmiştir.
Bilişsel radyo teknolojisi sayesinde mevcut lisanslı spektrumlar lisanslı kullanıcılar tarafından kullanılmadıkları zaman, ikinci kullanıcılar spektrum bandına erişim hakkı kazanmaktadır. Spektrum bandları yeniden kullanıma olanak sağlayan bilişsel radyo,
spektrum sezme ve ölçme teknikleriyle kullanılmayan spektrumların tespitini yaparak dinamik spektrum erişimine olanak sağlamaktadır. Dolayısıyla, lisanssız kullanıcıların spektrumdan faydalanmasına imkân sağlayarak, sınırlı olan mevcut bantgenişliğinin en etkin biçimde kullanılmasında ve spektrum verimliliğinin artırılmasında önemli rol oynamaktadır.
Bilişsel radyo ağları (CRN), farklı yapıda kablosuz ağ mimarisi ve dinamik spektrum erişim teknikleriyle kullanıcılara yüksek bantgenişliği sunmayı hedeflemektedir. Ancak, mevcut spektrum kullanımındaki hızlı değişimler ve farklı servisler için servis kalitesi
(Quality of Service, QoS) gereksinimleri bilişsel radyonun karşılaştığı zorluklardır. Bu zorluklarla başa çıkabilmek için bilişsel radyo ağındaki her kullanıcı aşağıdaki görevleri yerine getirmek zorundadır:
- Spektrumda uygun durumda bulunan frekans bandlarını tespit etmek,
- Uygun olan en iyi spektrum bandı seçmek,
- Diğer kullanıcılar ile birlikte spektrum bandı erişimini koordine etmek,
- Lisanslı kullanıcı tespit edildiğinde spektrum bandı terk etmek.

Spektrum yönetimindeki işlevler; spektrum sezme, spektruma karar verme, spektrum paylaşımı ve spektrum hareketliliği, sırasıyla bu dört maddeye karşılık gelmektedir.
Bilişsel radyoda PU ve SU kavramları, lisanslı ve lisanssız kullanıcıları belirtmek için kullanılmaktadır. PU, lisanslı spektrumun sahibi olan kullanıcıları ifade ederken, SU ise PU’nun etkin olmadığı zamanlarda lisanslı spektrum üzerinden haberleşme sağlayan
lisanssız kullanıcıları belirtmektedir. SU’lar birincil kullanıcılar aktif olduğunda spektrum bandı boşaltmak zorundadırlar.
Bilişsel radyonun iki temel özelliği, bilişsel kabiliyet ve yeniden yapılandırılabilmedir. Bilişsel kabiliyet, radyo ortamıyla gerçek zamanlı etkileşim sonucu belirli bir anda kullanılmayan spektrum bandlarını tespit etmek anlamına gelmektedir. Şekil 2’de görüldüğü gibi bilişsel radyo, spektrum boşluğu (spectrum hole) olarak adlandırılan belli bir anda, belli bir yerde birincil kullanıcılar tarafından kullanılmayan bandları tespit eder ve en iyi spektrumu seçerek lisanslı kullanıcılara girişim yaratmadan spektrumdan
yararlanır. Yeniden yapılandırılabilme özelliği ise, bilişsel radyonun çeşitli frekanslarda çalışacak ve farklı erişim teknikleri kullanacak şekilde programlanabilmesi, bu sayede en uygun spektrumun ve parametrelerin belirlenmesi, yeniden yarlanabilmesidir. Bunu sağlayan ise, bilişsel radyonun üzerine kurulu olduğu yazılım tanımlı radyodur (Software Defined Radio, SDR).


Şekil 2. Spektrum boşlukları ve dinamik spektrum erişimi


Bilişsel Radyo İşlevleri
Bilişsel radyonun dört temel fonksiyonu vardır:
- Spektrum sezme (algılama)
- Spektrum yönetimi (spektrum kararı)
- Spektrum paylaşımı
- Spektrum hareketliliği
Yukarıda anlatılanların ışığında bilişsel radyo, bulunduğu farklı ortamlarla etkileşim içinde olabilen ve iletim parametrelerini değiştirebilen radyodur. Bu tanımdan yararlanarak bilişsel radyonun iki temel özelliğini aşağıdaki gibi verilebilir:
1. Bilişsel yeteneği: Dinamik radyo ortamına uyum sağlamak için ortamını gerçek zamanlı olarak takip edebilme ve uygun iletişim parametrelerine karar verebilme yeteneğidir. Spektrum çevriminin temel adımları aşağıdaki gibi verilebilir:
- Spektrum sezme: Bilişsel radyo uygun spektrum bandlarını izleyebilmeli, bu bandlardan bilgi edinebilmeli ve böylece spektrum boşluklarını algılayabilmelidir.
- Spektrum analizi: Spektrum sezme aşamasında elde edilen spektrum boşluklarının karakteristiklerini değerlendirebilmelidir.
- Spektrum karar verme: Sonuçta, spektrumların karakteristiklerine ve kullanıcıların ihtiyaçlarına göre en uygun spektrum bandına karar verebilmelidir.
2. Yeniden ayarlanabilirliği: Donanım elemanlarında herhangi bir değişim gerçekleştirmeden farklı frekanslara geçildiğinde çalışma parametrelerini otomatik olarak ayarlayabilme yeteneğidir. Yeniden ayarlanabilecek parametreler şunlardır:
- Çalışma frekansı: Bilişsel radyolar bulundukları radyo ortamlarına göre en uygun frekans kanalını seçebilir ve çalışma frekanslarını değiştirebilir.
- Modülasyon: Kullanıcı gereksinimleri ve kanal durumuna göre kullandıkları modülasyon tekniğini (örneğin: BPSK (İkili Faz Kaydırmalı Anahtarlama), QPSK (Karesel Faz Kaydırmalı Anahtarlama), ve QAM (Karesel Genlik Modülasyonu)) değiştirebilirler. Böylece daha yüksek verim sağlayacak ve daha az bit hata oranı verecek tekniği seçebilirler.
Basit bir modelleme ile bilişsel işlemlerinin döngüdü bilişsel çevrimi olarak Şekil 3’de gösterildigi gibi sezme, analiz, karar verme döngüsünden oluşmaktadır.


Şekil 3. Bilişsel çevrimi

 

Spektrum Sezme
Güvenilir spektrum sezme bilişsel radyo için çok kritik bir öneme sahiptir. Spektrum sezmede amaç, spektrumda periyodik olarak algılama yapılması lisanslı kullanıcıların hareketliliğini ve spektrumun durumunu incelemektedir. Bilişsel radyo, kullanılmayan
spektrum bandları ve lisanslı spektrum boşluklarını tespit ederek birincil kullanıcılara girişim yapmadan spektruma erişim yöntemlerini belirlemektedir.
Spektrum sezmede birincil kullanıcı işaretlerini algılamadaki en temel zorluk ortamın gürültülü olmasıdır. En uygun spektrum sezme tekniğini belirlemede, ölçümlerin hızı ve doğruluğu en temel iki ölçüttür. Doğruluğu belirleyen etkenler ise, frekans çözünürlüğü ve tahmin edilen gücün doğruluğudur. Frekans çözünürlüğü yüksek olan ve komşu frekanslardan kaynaklanan girişimleri azaltacak şekilde, daha doğru güç tahmini yapılmaktadır.
Spektrum sezme işlemi merkezi ya da dağıtık biçimde yapılabilmektedir. Merkezi spektrum sezmede, merkezi erişim noktası (örneğin baz istasyonu) hedeflenen frekans bandını sezer ve elde ettiği bilgiyi ağdaki diğer kullanıcılarla paylaşır. Bu yapıda tüm sezme işlevleri merkezi noktadan yapıldığından, kullanıcı terminallerinin karmaşıklığı azalmaktadır. Ancak, merkezi erişim noktası hücre kenarında yer alan SU’yu tespit edemeyebilir. Dağıtık spektrum sezmede ise, her bir SU spektrum sezme işlemini bağımsız
olarak gerçekleştirir. Elde edilen bu spektrum sezme bilgisini her kullanıcı kendisi kullanabilir (işbirlikli olmayan yapı) veya diğer bilişsel radyo kullanıcıları ile paylaşabilir (işbirlikli yapı).


Spektrum Yönetimi
Bilişsel radyo ağları, kullanılan uygulamaların QoS ihtiyaçlarına göre uygun bandların arasından en iyisini seçebilmelidir. Spektrum yönetimi (spektrum kararı), kanal özellikleri (girişim, yol kaybı, telsiz bağlantı hataları ve bağlantı katmanı gecikmesi) ve birincil kullanıcıların işlemleriyle yakından alakalıdır. Buna ek olarak, spektrum kararı diğer CR kullanıcılarının faaliyetlerinden de etkilenir.
Spektrum kararı iki aşamadan oluşur. İlk olarak, her bir spektrum bandı sadece CR kullanıcılarının gözlemlerine göre değil ayrıca birincil ağların istatistiksel bilgilerine göre analiz edilmektedir. Daha sonra da bu bilgilere göre en uygun spektrum bandı seçilmektedir.
Spektruma karar vermede karşılaşılan zorluklardan birincisi Sinyal-Gürültü Oranı (SNR) bilgisi kullanılarak spektrum kapasitesi kestiriminin yetersiz kalmasıdır. İkinci zorluk ise karar verme işleminin lisanslı ve lisanssız bandlarda çalışması gerekliliğidir.


Spektrum Paylaşımı
Radyo kanalının paylaşımı doğası nedeniyle bilişsel radyo kullanıcıları koordine edilmelidir. Spektrum paylaşımına dört açıdan bakabiliriz:
1. Mimari: Spektrum atama, merkezi veya dağıtımlı olabilir. Merkezi atama yönteminde baz istasyonu bilişsel radyo kullanıcılarına frekans atamasını gerçekleştirir.
Dağıtımlı yapıda ise spektruma erişim, her bir kullanıcı tarafından yerel ilkeler göz önünde bulundurularak yapılmaktadır. Kablosuz bilişsel radyo ağ ortamı Şekil 4’de; merkezi yapıda birincil ağ ve ikincil ağın bulunduğu bir bilişsel radyo ağ ortamı görülmektedir. Merkezi yapıda olan bilişsel radyo ağları, bilişsel radyo erişim noktasının ikincil kullanıcıların haberleşmelerini kontrol ettiği ve düzenlediği ağ yapıları olarak tanımlanmaktadır.
Bilişsel radyo erişim noktası ikincil kullanıcılar tarafından sağlanan spektrumla ilgili verileri toplayarak lisanslı ve lisanssız spektrum bandlarındaki ikincil kullanıcı haberleşmelerini yönetmektedir. Elde edilen verilere göre, erişim noktası tüm kullanıcılar için spektrum erişim kararları almaktadır.
Merkezi yapıdaki bilişsel radyo ağlarının ilk örneği olarak IEEE 802.22 standardı görülmektedir [70]. IEEE 802.22 standardı, kullanılmayan radyo ve televizyon bandlarında bulunan spektrum boşluklarındaki (TV beyaz boşluklar) iletişim tekniğinin özelliklerini ortaya çıkarmaktadır.
2. Spektrum atama: İşbirlikçi çözümler için bir kullanıcının diğer kullanıcılara olan girişim ölçümlerinden faydalanır. Bu modellerde kullanılan genel yöntem hücresel yapıların girişim bilgisini bölgesel olarak paylaşmasını sağlamaktır. Bu işlem merkezi ve dağıtımlı
modeller arasında etkili bir şekilde denge oluşmasını sağlar. İşbirlikçi olmayan sistemlerde sadece tek bir kullanıcı göze alınmaktadır. Diğer bilişsel radyo kullanıcılarının girişimi göz önüne alınmaz ve bu şekilde spektrum kullanımı azalır. İşbirlikçi yapılar genel olarak işbirlikçi olmayanlara göre üstünlük sağlar. İşbirlikçilik daha adaletli bir sistem ve yüksek kazanç sağlar. Diğer bir yandan işbirlikçi olmayan yaklaşımlarda daha az bilgi paylaşımı olacağından enerji tüketimi düşüktür.


Şekil 4. Kablosuz bilişsel radio ağ ortamı


3. Spektrum erişim tekniği: Overlay ve Underlay spektrum paylaşım teknikleri olarak ikiye ayrılır. Overlay paylaşımında, kullanıcılar ağa ulaşmak için spektrumda birincil kullanıcıların kullanmadığı kısımları kullanır. Bu durum birincil ağda girişimi azaltır.
Underlay spektrum paylaşımında ise yayılı spektrum tekniklerinden faydalanılır. Örneğin, bilişsel radyo kullanıcısının iletimi PU tarafından gürültü gibi algılanır.
4. Faaliyet alanı: Her bir bilişsel radyo ağ içindeki spektrum erişiminin düzenlenmesi ağ içi (intra network) spektrum paylaşımı yöntemleri ile yapılır. Ağ arası (inter network) spektrum paylaşımında bilişsel radyo mimarisi, birçok sistemin örtüşen bölgelere ve
spektruma yerleştirilmesine olanak sağlar.
Spektrum paylaşımında karşılaşılan zorluklardan ilki, birçok spektrum paylaşımı işlemini kolaylaştıracak olan ortak kontrol kanalının, birincil kullanıcının bu kanalı seçtiğinde kanalı boşaltmak zorunda olmasıdır. İkinci zorluk, iletim gücü ve çalışma frekansı
arasındaki bağlılık nedeniyle çalışma frekansı değiştiğinde kullanıcının komşularının da değişmesidir. Üçüncü zorluk ise, SU’lar, birincil kullanıcıların konumunu ve iletim gücünü bilmelerinden dolayı girişimin hesaplandığını varsaymaktır. Ancak girişim ikincil ağlarda her zaman hesaplanamamaktadır.


Spektrum Hareketliliği
Spektrum hareketliliğinde (spectrum handoff) amaç, spektrum bandları sıklıkla değişirken kesintisiz bağlantının sürdürülmesini sağlamaktır. Bilişsel radyo en uygun spektrum bandı yakaladıktan sonra seçilen band’daki birincil kullanıcıların farklı spektrum
bandlarda faaliyetlerine devam etmeleri gerekebilir. Bu duruma spektrum hareketliliği denir.
Bilişsel radyo kullanıcısı çalışma frekansını her değiştirdiğinde, ağ protokolleri o çalışma parametrelerine göre değişiklik gerektirebilir. Bilişsel radyo ağlarındaki spektrum hareketliliği yönetiminin amacı, spektrum el değiştirmeleri sırasında hızlı ve düzgün bir geçiş sağlayarak başarım düşüşünü azaltmaktır. Hareketlilik yönetim protokollerinin önemli ihtiyaçlarından biri el değiştirme süresi bilgisidir. Bu bilgi sezme algoritmaları tarafından sağlanabilir.
Spektrum hareketliliğinde karşılaşılan zorluklardan ilki, uygun spektrum bandlar zamanla değiştiğinden dolayı istenen seviyede QoS sağlanamamasıdır. İkinci olarak, uygun bandlar kullanıcıların bir yerden başka bir yere gitmesiyle değişmesidir. Bu yüzden sürekli spektrum ataması yapmak büyük bir gecikme oluşturmaktadır.

Kaynakça: https://www.researchgate.net/publication/327644992_BILISSEL_RADYO_AGLARINDA_COK_OLCUTLU_KARAR_VERME_YONTEMLERINE_DAYALI_YENI_BIR_SPEKTRUM_YONETIM_MODELI

Jale Sadreddini
Zhaleh Sadreddini received the Ph.D. degree in Software Engineering, from the Karadeniz Technical University, Turkey, in 2018. She works at the Istanbul Arel University, Turkey. She had a research opportunity at the Department of Telecommunication, Brno University of Technology, Czech Republic. Her primary research interest lies in the area of CRNs, next-generation cellular networks, HetNet, resource management, overbooking, network slicing, and MCDM techniques. Her research scope also includes the measurement and prediction of end-user satisfaction with mobile data services (QoE). She has also awarded with ”Best Teaching Assistant” in the Computer Engineering department for 2015-2016 semester according to votes of professors and students.
Yorum Yaz

Yorum yazabilmek için üye girişi yapmanız gerekiyor!

Yukarı Git