Kablosuz haberleşme sistemlerinin özellikle son yıllarda artan gelişimi ile birlikte BR sistemleri ortaya çıkmıştır. Yapısı gereği kablosuz haberleşme sistemlerinde kullanılan OEK protokollerine uygulanabilen BR sistemler, geleneksel radyo sistemlerinin daha gelişmiş şekli olarak düşünülebilir. Bu sebepten dolayı, BR sistemler ortaya çıktığı günden bu yana, kablosuz ağlarda spektrum yetersizliği problemine çözüm olarak düşünülmektedir. Spektrumda mevcut olan boşlukların istenmeyen girişimler önlenerek kullanılmasını sağlamak BR sistemlerin ana görevlerinden biridir [25].
BR sistemlerin OEK protokollerine uygulanması gün geçtikçe artmaktadır. Bu durumun sonucu olarak, TDMA, CSMA, Aloha vb. OEK protokolleri BR sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadırlar [39]. Bilindiği üzere, OEK protokolleri tahsis tabanlı ve çekişme tabanlı olmak üzere temel olarak iki farklı türdedir. Basit olmaları ve ağdaki değişikliklere hızlı tepki vermelerinden dolayı tercih edilen tahsis tabanlı erişim teknikleri BR sistemlerde birincil ağlar ve BR ağlar için sıklıkla tercih edilmektedir. Ortamı dinleme, karar verme ve çarpışmaları algılama gibi özelliklere sahip olan çekişme tabanlı erişim teknikleri de yaygın olarak BR ağ yapıları için düşünülmektedir [40-42].
Yapılan çalışmada, kablosuz haberleşme ağlarının modellenmesinde yaygın olarak kullanılan analitik ve benzetim modellerinden faydalanılmıştır. İki farklı modelleme tekniği kullanılmasındaki amaç elde edilen sonuçların doğrulanmasıdır. Analitik modeller oluşturulurken, sistemde yapılan işlerin belirli bir aralıktaki değerleri üzerinden hesaplamalar yapılır. Analitik modellerin, basit ve hızlı sonuç vermeleri gibi olumlu yönleri bulunmaktadır. Diğer taraftan, çok büyük ve karmaşık sistemlerin analitik olarak modellenmesi oldukça zordur [43-45].
Tasarlanan bir sistemin, fiziksel şartlar göz önüne alınarak çeşitli yazılımlar yardımıyla gerçekleştirilmesi benzetim modeli oluşturulması olarak tanımlanabilir. Benzetim modelinde, meydana gelebilecek bütün olaylar ve fiziksel ortam koşulları
69
dikkate alınmaktadır. Benzetim modeli özellikle fiziksel olarak gerçekleştirilmesi büyük maliyet ve iş gücü gerektiren sistemleri modellemek için kullanılmaktadır. Ayrıca, gerçek hayatta başarısızlıkla sonuçlanması büyük zararlara yol açan sistemler de birebir taklit edilerek benzetim modeli olarak gerçekleştirilmektedir [40-44]. Bu tezde esas olarak, yeni bir Slotted Aloha tabanlı rasgele erişim BR ağ yapısı tasarlanmıştır ve bu tasarlanan ağın iş çıkarma başarımı değerlendirilmiştir. Tasarlanan bilişsel ağda hem AWGN kanal, hem de Rayleigh tipi sönümlemeli kanal için analitik modeller elde edilmiştir. Haberleşme alanında her iki kullanıcı grubu da zaman dilimi tabanlı tek bir haberleşme kanalını kullanmaktadırlar. Birincil kullanıcılar lisanslı oldukları için kanala her zaman erişme hakkına sahiptirler ve OEK protokolü olarak TDMA tekniğini kullanırlar. BR kullanıcılar ise sadece kanal boş olduğunda kanala erişebilirler ve erişmek için Slotted Aloha rasgele erişim tekniğini kullanırlar.
Kanal kullanım oranını değerlendirmek amacıyla toplam ağ için yeni iş çıkarma başarımı ifadeleri türetilmiştir. Kanal kullanım oranlarını değerlendirirken hem AWGN kanal hem de gerçeğe daha yakın Rayleigh tipi sönümlemeli kanal kullanılmıştır. Ayrıca Rayleigh kanalda yakalama etkisi de göz önüne alındığı için, hem yakalama etkisi ile hem de yakalama etkisi olmadan kanal kullanım oranları değerlendirilmiştir. Bunlara ek olarak, örnek bir ağ modeli MATLAB kullanarak analitik olarak modellenmiştir [46]. Daha sonra, OPNET Modeler kullanılarak örnek ağ geliştirilmiş, modellenmiş ve benzetimi yapılmıştır [47]. Böylece, elde edilen analitik ağ modeli uygulaması yapılan benzetim modeli sonuçları ile doğrulanmıştır. Bu çalışma, birincil kullanıcıların gönderimlerine hiçbir girişimde bulunmadan spektrum boşlukları kullanılarak, ağın toplam kanal kullanım oranının artırılabileceğini göstermiştir. AWGN kanalda elde edilen toplam ağ iş çıkarma oranı hem analitik hem de benzetim modeli olarak elde edilmiştir. Buna ek olarak, gerçek sonuçlara daha yakın iş çıkarma oranları elde edilmesi amacıyla Rayleigh kanal ve yakalama etkisi de göz önüne alınmıştır. AWGN ve Rayleigh kanal iş çıkarma oranları karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir ve Rayleigh kanalın yakalama etkisi sayesinde daha iyi sonuçlar verdiği gösterilmiştir. Birincil ve BR ağ aynı yüke sahip olduğunda ağın toplam iş çıkarma oranı AWGN kanala göre Rayleigh kanalda
70
%11 oranında artırılmıştır. Ayrıca birincil ağın, BR ağın 3’te 1’i oranında yüke sahip olduğu durumda, Rayleigh kanalda iş çıkarma oranı AWGN kanala göre %16 civarında artırılmıştır.
Bu çalışmada, benzer alanda yapılan çalışmalardan farklı olarak spektrum sezme zamanı da hesaba katılmıştır. Böylece, birincil kullanıcıların BR kullanıcılar ile aynı paket uzunluğuna sahip olmadığı göz önünde bulundurularak etkin iş çıkarma oranı denklemleri de buna göre hesaplanmıştır.
Tez çalışmasında ele alınan kanal kullanım iyileştirme yöntemi, bu alanda yapılacak yeni çalışmalara yol göstermesi açısından büyük öneme sahiptir. Bu çalışma temel alınarak yapılabilecek yeni çalışmalar ile ilgili öneriler aşağıda maddeler halinde sıralanmıştır:
Yapılan çalışma değerlendirilirken BR ağ için Slotted Aloha tekniğinin gecikme analizleri de göz önünde bulundurulabilir.
Sönümlemeli kanal etkisi göz önüne alındığında, Rician tipi sönümlemeli kanalda iş çıkarma başarımı ifadeleri elde edilebilir. Başarım değerlendirmesi yapmak üzere, Rician kanal için de hem analitik hem de benzetim modeli tasarlanabilir.
BR ağ için, Slotted Aloha tekniği yerine CSMA protokolü ve CSMA tekniğini temel alan OEK protokolleri kullanılabilir. Bunun yanında, birincil ağ için de TDMA benzeri tahsis tabanlı erişim teknikleri göz önünde bulundurulabilir.
71
KAYNAKLAR
[1] Rappaport T. S., Wireless Communications, Principles & Practice, 2nd ed., Prentice-Hall Inc., New Jersey, 2002.
[2] Molisch A. F., Wireless Communications, 2nd ed., John Wiley & Sons Ltd., West Sussex, 2011.
[3] Garg V., Wireless Communications and Networking, 1st ed., Elsevier Inc., California, 2007.
[4] Tse D., Viswanath P., Fundamentals of Wireless Communication, 1st ed., Cambridge University Press, New York, 2005.
[5] Gow G. A., Smith R. K., Mobile and Wireless Communications: An Introduction, 1st ed., Open University Press, New York, 2006.
[6] Cavalcanti F. R. P., Andersson S., Optimizing Wireless Communication Systems, 1st ed., Springer Science, New York, 2009.
[7] Goldsmith A., Wireless Communications, 1st ed., Cambridge University Press, New York, 2005.
[8] Du K. L., Swamy M. N. S., Wireless Communication Systems: From 4F Subsystems to 4G Enabling Technologies, 1st ed., Cambridge University Press, Cambridge, 2010.
[9] Wang X., Poor H. V.,Wireless Communication Systems: Advanced Techniques for Signal Reception, 1st ed., Pearson Education, New Jersey, 2004.
[10] Stallings W., Wireless Communications and Networks, 2nd ed., Pearson Education, New Jersey, 2005.
[11] Poor H. V., An Introduction to Signal Detection and Estimation, 2nd ed., Dowden & Culver Inc., Virginia, 1994.
[12] Li X., Liu H., Roy S., Zhang J., Zhang P., Ghosh C., Throughput Analysis for a Multi-User, Multi-Channel ALOHA Cognitive Radio System, IEEE Transactions on Wireless Communications, 2012, 11, 3900-3909.
[13] Choe S., Throughput, Delay, and Packet Capture Effects in Rayleigh Fading of a Cognitive Radio Packet Network, IEEE Conference on Wireless Days, Dubai, 24-27 November 2008.
[14] Lien S. Y., Tseng C. C., Chen K. C., Carrier Sensing based Multiple Access Protocols for Cognitive Radio Networks, IEEE International Conference on Communications, Beijing, China, 19-23 May 2008.
72
[15] Yang Z., Investigations of Multiple Access Protocols in Cognitive Radio Networks, Doctoral Dissertation, Stevens Institute of Technology, Hudson, 2010.
[16] Choe S., Park S. K., Throughput of slotted ALOHA Based Cognitive Radio MAC, IEEE International Conference on Ubiquitous Information Technologies & Applications, Fukuoka, Japan, 20-22 December 2009.
[17] Hippenstiel R. D., Detection Theory: Applications and Digital Signal Processing, 1st ed., CRC Press, Florida, 2002.
[18] Barkat M., Signal Detection and Estimation, 2nd ed., Artech House, Massachusetts, 2005.
[19] Wyglinski A. M., Nekovee M., Hou T., Cognitive Radio Communications and Networks, Principles and Practice, 1st ed., Academic Press, California, 2010. [20] IEEE 1900.1, IEEE Standard Definitions and Concepts for Dynamic Spectrum
Access: Terminology Relating to Emerging Wireless Networks, System Functionality, and Spectrum Management, IEEE Standards, 2008, c1-48.
[21] Chen K. C., Prasad R., Cognitive Radio Networks, 1st ed., John Wiley & Sons Inc., Chippenham, 2009.
[22] Kataria A., Cognitive Radios - Spectrum Sensing Issues, Master of Science Thesis, University of Missouri, Faculty of the Graduate School, Columbia, 2007. [23] Eerla V. V. S., Performance Analysis of Energy Detection Algorithm in Cognitive Radio, Master of Science Thesis, National Institute of Technology Rourkela, Department of Electronics and Communication Engineering, Odisha, 2011.
[24] Buccardo A., A Signal Detector for Cognitive Radio System, Master of Science Thesis, University of Gävle, Master Program in Telecommunications Engineering, Gävle, 2010.
[25] Arslan D. Ç., Bilişsel Radyo, Yüksek Lisans Tezi, Kocaeli Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kocaeli, 2009, 259366.
[26] Ciftci S., Torlak M., A Comparison of Energy Detectability Models for Cognitive Radios in Fading Environments, Wireless Personal Communications, 2013, 68, 553-574.
[27] Digham F. F., Alouini M. S., Simon M. K., On the Energy Detection of Unknown Signals over Fading Channels, IEEE Transactions on Communications, 2007, 55, 21-24.
[28] Atapattu S., Tellambura C., Jiang H., Spectrum Sensing via Energy Detector in Low SNR, IEEE International Conference on Communications, Kyoto, Japan, 5- 9 June 2011.
73
[29] Borgonovo F., Zorzi M., Slotted ALOHA and CDPA: a Comparison of Channel Access Performance in Cellular Systems, Wireless Networks, 1996, 2, 696-703. [30] Dardari D., Tralli V., Verdone R., On the Capacity of slotted Aloha with
Rayleigh Fading: The Role Played by the Number of Interferers, IEEE Communications Letters, 2000, 4, 155-157.
[31] Dua A., Random Access with Multi-Packet Reception, IEEE Transactions on Wireless Communications, 2008, 7, 2280-2288.
[32] Gradshteyn I. S., Ryzhik I. M., Table of Integrals, Series and Products, 7th ed., Academic Press, London, 2007.
[33] Muta R., Kohno R., Throughput Analysis for Cooperative Sensing in Cognitive Radio Networks, IEEE 20th International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, Tokyo, Japan, 13-16 September 2009.
[34] Arnbak J. C., Blitterswijk W. V., Capacity of slotted ALOHA in Rayleigh- Fading Channels, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 1987, 5, 261-269.
[35] Akyildiz I. F., Lee W. Y., Vuran M. C., Mohanty S., Next Generation / Dynamic Spectrum Access / Cognitive Radio Wireless Networks: A Survey, Computer Networks, 2006, 50, 2127-2159.
[36] Pahlavan K., Krishnamurthy P., 1st ed., Networking Fundamentals, Wide, Local and Personal Area Communications, Wiley, Chippenham, 2009.
[37] Yuan J., Torlak M., Optimization of Throughput and Autonomous Sensing in Random Access Cognitive Radio Networks, Proceedings of the 7th IEEE International Conference on Wireless Communications and Mobile Computing, Istanbul, Turkey, 4-8 July 2011.
[38] Zhang L., Xiao Z., Performance Analysis of Cooperative Spectrum Sensing Algorithm for Cognitive Radio Networks, IEEE International Conference on Computer Design and Applications, Qinhuangdao, China, 25-27 June 2010. [39] Ghasemi A., Sousa E. S., Spectrum Sensing in Cognitive Radio Networks: The
Cooperation Processing Tradeoff, Wireless Communications and Mobile Computing, 2007, 7, 1049-1060.
[40] Karahan A., TDMA Tabanlı Kablosuz Algılayıcı Ağ Ortam Erişim Kontrol Protokolleri için Genel bir Analitik ve Benzetim Modeli, Yüksek Lisans Tezi, Kocaeli Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kocaeli, 2010, 275803.
[41] Solak S., Kablosuz Algılayıcı Ağlarda kullanılan MAC Protokollerinin Karşılaştırmalı Başarım Analizi, Yüksek Lisans Tezi, Kocaeli Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kocaeli, 2008, 232706.
[42] Bayılmış C., Ertürk İ., Çeken C., Kablosuz Bilgisayar Ağlarının Karşılaştırmalı İncelemesi, Gazi Üniversitesi Politeknik Dergisi, 2004, 7, 201-210.
74
[43] Çiflikçi C., Tuncer A. T., Özşahin A. T., Yesbek S. M., Bilişsel Radyo ve Ortam Erişim Kontrol Katmanı Protokolleri, 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu, Karabük, Türkiye, 13-15 Mayıs 2009.
[44] Bayılmış C., Ertürk İ., Çeken C., Bandırmalı N., Kablosuz Erişim Yöntemlerinin Karşılaştırmalı İncelemesi, TMMOB Elektrik Elektronik Bilgisayar Mühendisliği 11. Ulusal Kongresi, İstanbul, Türkiye, 22-25 Eylül 2005.
[45] Karahan A., Ertürk İ., Atmaca S., Çakıcı S., Melez Bir Kablosuz Algılayıcı Ağ OEK Protokolü, 6. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu, Elazığ, Türkiye, 16-18 Mayıs 2011.
[46] MathWorks Inc., www.mathworks.com/products/matlab/, (Ziyaret Tarihi: 26 Şubat 2013).
75
76
EK-A OPNET KODLARI
Baz istasyonu süreç modelinde “fromRX” için gerekli olan kodlar
/* Obtain the packet coming from the RX */ pkptr = op_pk_get (rx_in_strm);
if(pkptr != opc_nil) {
/* Get the format of the packet */ op_pk_format(pkptr, pk_format);
/* Other parameters for the packet */
pk_snr_db = op_td_get_dbl(pkptr, opc_tda_ra_snr); op_stat_write(pk_snr_db_stathandle, pk_snr_db); pk_snr = pow(10, pk_snr_db * 0.1);
op_stat_write(pk_snr_stathandle, pk_snr);
pk_power = op_td_get_dbl(pkptr, opc_tda_ra_rcvd_power); op_stat_write(pk_power_stathandle, 1e6 * pk_power); tx_delay = op_td_get_dbl(pkptr, opc_tda_ra_tx_delay);
/* Propagation delays */
start_delay = op_td_get_dbl(pkptr, opc_tda_ra_start_propdel); end_delay = op_td_get_dbl(pkptr, opc_tda_ra_end_propdel);
if(strcmp(pk_format, “mebPrimaryData”) == opc_nil) {
/* Increase the primary packet counter */ pri_packet_counter ++; /* Update statistics */ op_stat_write(pri_packet_counter_stathandle, pri_packet_counter); op_pk_destroy(pkptr); }
else if(strcmp(pk_format, “mebCRData”) == opc_nil) {
/* Increase the CR packet counter */ CR_packet_counter ++;
op_stat_write(CR_packet_counter_stathandle, CR_packet_counter);
/* Destroy the packet */ op_pk_destroy(pkptr);
} }
77
Birincil kullanıcıların süreç modelinde “fromSRC” için gerekli olan kodlar
/* A new packet came from the SOURCE */ pkptr = op_pk_get(src_in_strm);
if(pkptr != opc_nil) {
/* Increase the number of source packet */ src_packet_counter ++;
op_stat_write(src_packet_counter_stathandle, src_packet_counter);
/* Disregard the unformatted packet */ op_pk_destroy(pkptr);
/* Produce formatted packet */
pkptr = op_pk_create_fmt(“mebPrimaryData”);
/* Insert the packet to subqueue */
op_subq_pk_insert(sub_queue, pkptr, opc_qpos_tail); }
Birincil kullanıcıların süreç modelinde “frame” için gerekli olan kodlar
/* Calculate the current time slot */ current_slot = slot_counter % numb_of_slot;
/* Check if the queue is empty or not, and verify if the time slot belongs to the current terminal */
if((op_subq_empty(sub_queue) != opc_true) && (current_slot == my_term_id)) {
/* Remove the packet */
pkptr = op_subq_pk_remove(sub_queue, opc_qpos_head);
/* Broadcast the packet */ op_pk_send(pkptr, tx_out_strm);
/* Increase the packet counter */ tx_packet_counter++;
/* Update the statistics */
op_stat_write(tx_packet_counter_stathandle, tx_packet_counter); }
/* Increase the time slot counter, and update the statistics */ slot_counter ++;
op_stat_write(slot_counter_stathandle, slot_counter);
/* Self-interrupt for the first frame time */
78
BR kullanıcıların süreç modelinde “slot” için gerekli olan kodlar
/* Find the current time slot */
current_slot = time_slot_counter % numb_of_slot;
/* Check the subqueue and the channel status */ if(op_subq_empty(sub_queue) != opc_true)
{
if(!channel_busy) {
/* Produce random value for probability of false alarm */ random_pfa = op_dist_uniform(1);
if(random_pfa > 0.1) {
pkptr = op_subq_pk_remove(sub_queue, opc_qpos_head);
/* Broadcast the packet */ op_pk_send(pkptr, tx_out_strm); } else { pkptr = op_subq_pk_remove(sub_queue, opc_qpos_head); op_pk_destroy(pkptr); } } else { pkptr = op_subq_pk_remove(sub_queue, opc_qpos_head); op_pk_destroy(pkptr); } }
/* Increase slot counter, and set a self-interrupt */ time_slot_counter++;
op_intrpt_schedule_self(time_slot_counter * slot_length + prop_delay, slot_intrpt);
79
KİŞİSEL YAYIN VE ESERLER
[1] Bayrakdar M. E., Atmaca S., Karahan A., A slotted Aloha based Random Access Cognitive Radio Network and its Performance Evaluation, IEEE the 20th International Conference on Software, Telecommunications and Computer Networks (SoftCOM), Split, Croatia, 11-13 September 2012.
80
ÖZGEÇMİŞ
1988 yılında İzmit’te doğdu. İlkokulu ve ortaokulu İzmit Ulugazi İlköğretim Okulu’nda bitirdi. Lise öğrenimini İzmit Gazi Lisesi’nde 2005 yılında tamamladı. Hiç yıl kaybı olmadan 2005 yılında başladığı Kocaeli Üniversitesi’nde, bir yıl yabancı dil hazırlık eğitimi aldı. 2010 yılında Bilgisayar Öğretmenliği Bölümünden birincilikle mezun oldu. 2010 yılında hem Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektronik ve Bilgisayar Eğitimi Anabilim Dalı’nda Yüksek Lisansa başladı hem de Öğretim Üyesi Yetiştirme Programı ile Düzce Üniversitesi Bilgisayar Mühendisliği Bölümünde araştırma görevlisi kadrosuna atandı. 2011 yılında Yüksek Lisans eğitimi için Kocaeli Üniversitesi’ne görevlendirildi. Halen lisansüstü eğitimine devam etmektedir.