Modeling and Analysis of Cognitive Radio Ad Hoc Networks

Kalil, Mohamed Abd rabou Ahmed

Eine Welt ohne drahtlose Ad-Hoc Netzwerke ist heute kaum noch vorstellbar.Auf Grund der geringen Kosten und des minimalen Installationsaufwands werden gegenwärtig immer mehr Geräte in immer mehr Anwendungsfeldern eingesetzt. Da die meisten dieser Netzwerke im lizenzfreien ISM-Band operieren, ist dieses heute stark ausgelastet und weist kaum noch freie Kapazitäten auf. Aktuelle Studien der Federal Communication Commission (FCC) belegen allerdings, dass große Teile (bis zu 70%) der lizenzbehafteten Frequenzen ungenutzt sind. Dieser Umstand zeigt, dass das Problem weniger die generelle Knappheit an freien Frequenzen ist, sondern vielmehr in der ineffizienten Verteilung bzw.Nutzung der verfügbaren Resourcen zu suchen ist. Das Hauptaugenmerk der vorliegenden Dissertation liegt in der Verbesserung der Spektrumsauslastung, um dadurch die weitere Entwicklung von drahtlosen Ad-Hoc Netzwerken zu ermöglichen.In dieser Arbeit wird ein neues Spektrum-Management-Konzept mit dem Namen Opportunistic Spectrum Access with Backup channel (OSAB) entwickelt und vorgestellt. Das hierbei zugrunde liegende Konzept gestattet Secondary Users (SUs)dynamisch und flexibel auf Frequenzen unlizenzierter als auch lizensierterFrequenzbänder zu zugreifen, wenn diese vom Primary User (PU) gerade nicht genutzt werden - es also keine Interferenzen geben kann.Da der Zugriff auf das Frequenzspektrum heute existierender Systeme noch sehr unflexibel ist, soll dieser in Zukunft durch Cognitive Radios (CR)weit flexibler und dynamischer gestaltet werden können. Bei der Entstehung von OSAB wurden speziell die unterschiedlichen Eigenschaften verschiedener Frequenzbänder berücksichtigt.Der Hauptvorteil von lizenzbehafteten Bändern ist, dass diese in hoher Anzahl verfügbar sind. Der Hauptvorteil von lizenzfreien Frequenzen ergibt sich hingegen aus der Gleichstellung aller Nutzer. Sobald ein SU einmal einen Kanal belegt hat, kann er nicht mehr aus selbigem verdrängt werden.Kommuniziert OSAB in lizenzierten Bändern, so wird stets ein Backup Channel (BC)vorgehalten um auf das plötzliche Auftreten des PUs reagieren zu können.Das vorgeschlagene Konzept wurde in dieser Arbeit außerdem einer intensiven Analyse mittel Markov-Ketten unterzogen. Die dabei erzielten Ergebnisse zeigen,dass OSAB den Paketverlust und die erwartete Anzahl an Spektrum-Hand-Offs um 60% bzw. 17% reduzieren kann.Um den Nutzen und die Vorteile von OSAB praktisch unter Beweis zu stellen, wurde in der vorliegenden Arbeit weiterhin das MAC-Protokoll SWITCH (opportunisticSpectrum access WITh backup CHannel) entwickelt.SWITCH ist ein dezentrales, asynchrones, verbindungsbasiertes MAC-Protokoll, welchesdurch das Backup-Channel-Konzept in der Lage ist, effektiv auf das plötzliche Eintreffen von PUs zu reagieren.Jeder SU ist dabei mit zwei Transceivern ausgestattet, wobei einer davon stets für die Kommunikation auf dem gemeinsam genutzten Kontroll-Kanal (Common Control Channel) verantwortlich ist. Der zweite Transceiver ist so ausgelegt, dass dieser periodisch alle ungenutzten Kanäle absucht und dynamisch auf diese zugreifen kann. Um den Zustand eines Kanals (belegt/nicht belegt) korrekt erkennen zu können wird in dieser Arbeit eine einfache aber effektive Form des kooperativen Sensings genutzt. Die Performanz des Protokolls wurde mit Hilfe von Simulationen evaluiert. Die Ergebnisse zeigen, dass SWITCH im Vergleich zu anderen CR-MAC-Protokollen eine Verbesserung des Durchsatzes von bemerkenswerten 91,7% erzielen konnte. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die vorgeschlagenen Beiträge einen Schritt hin zu einer effektiveren Nutzung der verfügbaren Funkressourcen und zur Erhöhung der Kapazität von drahtlosen Ad-Hoc Netzwerken darstellen.

Wireless ad hoc networks are becoming more ubiquitous in terms of devices, application areas, etc. due to their low cost and minimal deployment effort. Since all these networks operate in the unlicensed band, the problems of congestion and spectrum scarcity have arisen. On the other hand, a recent study by Federal Communications Commission (FCC) has revealed that swathes of licensed bands, measured by 70%, are unutilized. This highlights that the actual problem is not the scarcity of spectrum but inefficient allocation policies and usage. Therefore, this dissertation is focused on improving spectrum utilization and efficiency to tackle the spectrum scarcity problem and support further wireless ad hoc networks.This thesis proposes a new spectrum management concept called opportunistic spectrum access with backup channel (OSAB). The proposed concept provides secondary users (SUs) (e.g. ad hoc users) with the ability to adaptively and dynamically exploit channels from both licensed and unlicensed bands without interfering the legacy users of licensed bands, i.e. the so called primary users (PUs). Since existing radio systems offer very limited flexibility, cognitive radios (CR), which can sense and adapt to radio environments, are exploited to support such a dynamic concept. For the development of OSAB, the channels' characteristics from each band are taken into consideration. The main advantage of licensed channels is their availability in significant numbers, whereas, the main advantage of unlicensed channels is that all users have the same rights to channel access and thus no preemption occurs once a user obtains a channel. In addition, OSAB uses a backup channel (BC) to handle the appearance of PUs and thus facilitates SU communication. The proposed concept is extensively evaluated using a Markov chain model and compared to existing spectrum management approaches such as opportunistic spectrum access (OSA). The results indicate that OSAB decreases the dropping probability and the expected number of spectrum handoffs for SUs compared to OSA by 60% and 17% respectively.In order to apply OSAB practically, we develop a MAC protocol that reacts efficiently to sudden appearance of PUs. The new protocol is named opportunistic Spectrum access WITh backup CHannel (SWITCH) protocol. SWITCH is a decentralized, asynchronous, and contention-based MAC protocol. The BC's concept makes SWITCH extremely robust to the appearance of PUs. Each SU is equipped with two transceivers, one is tuned to a common control channel for the negotiation purpose with other SUs while the other is designed specifically to periodically sense and dynamically use the identified unused channels. To obtain the channel state accurately, we propose an efficient spectrum sensing strategy. This strategy is based on cooperative spectrum sensing among SUs. The performance of proposed protocol is evaluated through simulations. The results show that SWITCH accomplishes a remarkable 91.7% throughput gain over other CR-MAC protocolsTo conclude, the proposed contributions are a step forward towards efficient use of available radio resources and improve the spectrum capacity for wireless ad hoc networks.

Zitieren

Zitierform:

Kalil, Mohamed Abd rabou Ahmed: Modeling and Analysis of Cognitive Radio Ad Hoc Networks. 2011.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Grafik öffnen

Export