KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ*FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
BİLİSEL RADYO
YÜKSEK LİSANS TEZİ
Elektronik ve Haberleşme Mühendisi Didem Çolak Arslan
Anabilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği
Danışman: Prof. Dr. Hasan Dinçer
ÖNSÖZ ve TEEKKÜR
Bilim tarihinin öğrettiği gerçek; çağlar boyunca insanların yenilik isteği ve değişik şeyler bulma arzuları sonucu bilim-araştırma-geliştirme yapma ihtiyacını ortaya çıkarmıştır. Araştırma-geliştirme ise; bir sistem içerisinde sürekli gelişmeyi sağlayan bilim temeline dayalı faaliyetler olmuştur. Bilimsel düşünceyi özümseyip bir hayat tarzı olarak yaşayan toplumlar; üretimde, ticarette, hizmetlerin kalitesinde ve fertlerinin refah seviyesinin artırılmasında rekabet üstünlüğünü elde etmektedirler. Araştırma-geliştirme faaliyetlerine önem verme doğanın sırlarını öğrenme, doğadan faydalanma ve insanın ihtiyaçları için problemlerine çözüm bulma daha da kolaylaşmıştır. 21. yüzyılda hız kazanan teknolojik yenilikler; ekonomik, endüstriyel, politik, askeri alanlarda çok yeni uygulamalar getirmekte ve bu yeni teknolojiye sahip olan ülkelere büyük üstünlük sağlamaktadır. İleri teknolojiler, verimlilik, hayat standardı, haberleşme ve ulaşımın alt yapısını oluşturmaktadır.
Bu çalışmada amacım kablosuz iletişim teknolojilerindeki hızlı yükselişini göz önünde bulundurarak bilişsel radyo hakkında araştırma yapmak ve son gelişmeleri takip etmekti.
Bu konuda bana yardım eden çok değerli hocam sayın Prof. Dr. Hasan DİNÇER’ e çok teşekkür ediyorum. En zor zamanlarımda benimle sabırla uğraştı ve yardımlarını esirgemedi.
Çalışmamda tüm yoğunluğuna rağmen bana yardımlarını esirgemeyen sevgili eşime ve manevi desteklerinden dolayı her zaman yanımda olan aileme teşekkür ederim. Atatürkçü düşünce ışığı altında ülkemin daha güzel günler göreceği umuduyla çağdaş bir mühendis olarak ulusuma ve insanlığa yararlı çalışmalar yapmak dileğiyle…
DİDEM ÇOLAK ARSLAN
İÇİNDEKİLER ÖNSÖZ ve TEEKKÜR ... i İÇİNDEKİLER ... ii EKİLLER DİZİNİ ... v TABLOLAR DİZİNİ ... vii SİMGELER DİZİNİ ... vii KISALTMALAR ... viii ÖZET ... xiii
İNGİLİZCE ÖZET ... xiv
1. GİRİ ... 1
2. GENEL BİLGİLER ... 3
2.1 Radyo İletimi ... 3
2.2 Kablosuz Teknolojiler için İletişim Altyapısı ... 3
2.2.1 IEEE 802.11 ... 4 2.2.2 IEEE 802.15 ... 5 2.2.3 IEEE 802.16 ... 5 2.2.4 IEEE 802.20 ... 6 2.2.5 IEEE 802.21 ... 6 2.2.6 IEEE 802.22 ... 7
3. BİLİSEL RADYO VE WRAN STANDARTI ...8
3.1 Giriş ... 8
3.2 Benzer çalışmalar ... 10
3.3 IEEE 802.22'nin Hedefleri ... 10
3.4 IEEE 802.22'nin Sistemi ... 10
3.4.1 Topoloji ve Benzerlik ... 11
3.4.2 Servis Kapasitesi ... 12
3.4.3 IEEE 802.22 Sisteminin Temel Özellikleri ... 12
3.4.4 Kullanıcı Terminalleri... 13
3.4.5 Baz İstasyonları ... 14
3.5 IEEE 802.22 Hava Ara yüzü ... 15
3.5.1 Fiziksel Katman ... 15
3.5.1.1 Spektrum Algılama ... 18
3.5.2 Ortam Erişim Kontrol (MAC) Katmanı ... 19
3.5.2.1 Superframe ve Çerçeve Yapıları ... 19
3.5.2.2 Ağa katılım ve Başlangıç Durumuna Gelme ... 21
3.6 IEEE 802.22 Dinamik Spektrum Erişimi ve TV Bandının Paylaşımı ... 21
3.6.1 Birlikte Bulunma ... 22
3.6.1.1 Antenler ... 22
3.6.1.2 TV ve Kablosuz Mikrofonla Bir Arada Bulunma ... 23
3.6.1.3 PLMRS/CMRS ile Bir Arada Bulunma ... 23
3.6.2 Ölçümler ve Spektrum Yöntemi ... 23
3.6.2.1 Zorunluların tespiti... 24
3.6.2.2 Zorunlu İşaretlerin Bildirilmesi ... 25
3.6.2.3 Zorunlu İşaretlerin Tespitinin İyileştirilmesi ... 25
3.6.3 Bizzat Bir Arada Bulunma ... 25
3.6.3.1 CBP Protokolü ... 27
3.6.3.2 BS'ler arası Haberleşme ... 28
3.6.4.1 Eşik Değerinin Algılanması ... 29
3.6.4.2 Koruma Alanın Hesaplanması ... 30
3.6.4.3 DFS Zaman Koşulu ... 31
3.6.4.4 Kablozus Mikrofon Algılama ... 31
3.6.4.5 Spektrum Kullanım Tablosu ... 32
3.6.4.6 Bant Dışı Emisyon Değerleri ... 32
4. AĞ GÜVENLİĞİ ... 34
4.1 Tek Alıcı Verici Protokolleri ... 35
4.2 Çoklu Alıcı Verici Protokolleri ... 37
5. IEEE 802.22 PHY ve MAC KATMANLARI ... 39
5.1 Tanımlamalar ... 39
5.1.1 Superframe Yapısı ... 39
5.1.2 Veri Transfer Modeli ... 41
5.1.3 Senkronizasyon Burst Yapısı ... 42
5.1.4 Kontrol İşareti Çerçeve Yapısı ... 43
5.2 Fiziksel katman ... 44
5.2.1 Genel Gereksinimler ve Tanımlar ... 44
5.2.1.1 Operasyon Frekans Aralığı ... 44
5.2.1.2 Kanal Bilgisi ... 44
5.2.2 PHY Servis Özellikleri ... 44
5.2.2.1 PHY Veri Servisi ... 45
5.2.2.1.1 PD-DATA.request ... 45
5.2.2.1.2 PD-DATA.confirm ... 46
5.2.2.1.3 PD-DATA.indication ... 46
5.2.2.2 PHY Yönetim Servisi ... 46
5.2.2.2.1 PLME-GET.request ... 46 5.2.2.2.2 PLME-get.confirm ... 46 5.2.2.2.3 PLME-INITIATE-RTS-BURST.request ... 47 5.2.2.2.4 PLME-INITIATE-RTS-BURST.confirm ... 47 5.2.2.2.5 PLME-SET.request ... 47 5.2.2.2.6 PLME-SET.confirm ... 47 5.2.2.2.7 PLME-TRX-STATE.request ... 47 5.2.2.2.8 Senkronizasyon Burst ... 48 5.2.2.2.9 PPDU formatı ... 48
5.2.2.2.10 Alma Periyodu ve RTS(Request to Send)) Burstu ... 49
5.2.2.2.11 ANP(Acknowlegement/noacknowlwgwmwnt period) Burstu ... 50
5.3 MAC Katmanı ... 51
5.3.1 MAC Katmanı Servis Özellikleri... 51
5.3.2 MAC Yönetim Servisi ... 52
5.3.2.1 MLME-KONTROL İARETİ_LOST.indication ... 52 5.3.2.2 MLME-GET.request ... 52 5.3.2.3 MLME-GET.confirm ... 53 5.3.2.4 MLME-INCOMING-KONTROL İARETİ.indication ... 53 5.3.2.5 MLME-SCAN.request ... 53 5.3.2.6 MLME-SCAN.confirm ... 53 5.3.2.7 MLME-SET.request ... 53 5.3.2.8 MLME-SET.confirm ... 54 5.3.2.9 MLME-START-KONTROL İARETİ.request ... 54 5.3.2.10 MLME-START_KONTROL İARETİ.confirm ... 54
5.3.2.11 MAC kontrol işareti Çerçevesi ... 54
5.3.2.12 Superframe Yapısı ... 58
5.4 İletim Protokolü ... 58
5.4.1 Cihaz Başlatma İşlemi ... 59
5.4.2.1 Veri Birleştirme ... 59
5.4.2.2 SPD Davranışı ... 60
5.4.2.3 PPD Davranışı ... 60
5.5 Örnekler/Açıklamalar ... 60
5.5.1 Kontrol işaretleri ... 62
5.5.1.1 PPD(Primary Protecting Device)Birinci Koruyucu Cihaz ... 62
5.5.1.2 SPD(Secondary Protecting Device) İkincil Koruyucu Cihaz ... 62
5.6 İletimi Durdurmak ... 63
5.6.1 PPD(Primary Protecting Device)Birinci Koruyucu Cihaz ... 63
5.6.2 SPD(Secondary Protecting Device) İkincil Koruyucu Cihaz ... 63
6. SPEKTRAL KORELASYONA DAYALI SİNYAL TESPİTİ METODU ... 67
6.1 Tanıtım ... 67
6.2 Birincil Kullanıcı Özellikleri ... 67
6.3 İşaret Keşfetme Metodu ... 69
6.3.1 Işın Ölçümüne Dayanan Uç Noktaların Keşfi ... 69
6.3.1.1 Cyclostationary İşaretlerin Spektral Korelasyonu ... 69
6.3.2 Spektral Korelasyona Dayalı Tespit ... 72
6.4 Simülasyon Sonuçları ... 74
7. YENİ NESİL DİNAMİK SPEKTRUM ERİİMİ VE BİLİSEL RADYO ... 82
7.1 Yazılım Tanımlı Radyonun Avantajları ... 83
7.1.2 Basit Bir Yazılım Tanımlı Radyo Sistemi ... 83
7.2 Bilişsel Radyo ... 88
7.3 Bilişsel Radyo Döngüsü ... 90
7.3.1 BR'nin Fiziksel Mimarisi ... 90
7.3.2 Kavrama Yeteneği ... 92
7.3.3 Yeniden Düzenlenebilme ... 93
7.4 BR Ağ Mimarisi ... 94
7.4.1 BR Ağ Fonksiyonları ... 96
7.4.1.1 Lisanslı Banttaki BR Ağı ... 96
7.4.1.2 Lisanssız Banttaki BR Ağı ... 97
8. USRP ... 98
8.1 USRP'nin İçeriği ... 99
8.1.1 Anolog Dijital Dönüştürücü ... 99
8.1.2 Dijital Analog Dönüştürücü ... 100
8.1.3 Yardımcı Giriş/Çıkış Analog Kanalları ... 100
8.1.4 Yardımcı Dijital I/O Portları ... 101
8.1.5 FPGA ... 101 8.1.6 Ek Devreler ... 105 8.1.7 Temel TX/RX Ek Devreleri ... 105 8.1.8 Hata Düzeltimi... 106 8.1.9 Güç ... 106 8.2 USRP'nin Kurulumu ... 106
8.3 USRP İle Yapılan Uygulamalar ... 112
8.3.1 Geniş Band FM VHF RX / Dar Band FM VHF TX ... 112
8.3.2 USRP ve GNU Radyo Kullanarak Ses İletimi ... 114
8.3.3 USRP ve GNU Radyo Kullanarak MP3 Dosya İletimi ... 115
9.SONUÇLAR VE ÖNERİLER ... 116
KAYNAKLAR ... 117
EKLER ... 119
KİİSEL YAYINLAR ve ESERLER ... 131
EKİLLER DİZİNİ
ekil 3.1: WRAN sistemi ... 8
ekil 3.2: WRAN kapsama alanı ... 9
ekil 3.3: CPE,BS ve birbirleri ile olan bağlantıları ... 11
ekil 3.4: WRAN BS ve CPE erişimi ... 11
ekil 3.5: CPE'nin sağladığı fonksiyonları gösteren şema ... 13
ekil 3.6: CPE şekli ... 14
ekil 3.7: WRAN sisteminde baz istasyonu ... 15
ekil 3.8: Zamanda ve Frekansta TV bantlarının kullanımına bir örnek ... 16
ekil 3.9: Ardışık kanal kullanımı ... 18
ekil 3.10: IEEE 802.22 superframe yapısı ... 20
ekil 3.11: MAC çerçevesinin zaman/frekans yapısı ... 20
ekil 3.12: İki aşamalı algılama ... 24
ekil 3.13: IEEE 802.22 şebekesinde senkronizasyon ... 26
ekil 3.14: Üst üste binen iki senkronize kanal üzerinde haberleşme ... 29
ekil 4.1: Simülasyon senaryosu ... 35
ekil 4.2: Ağ güvenilirliği mekanizmasının performansı... 35
ekil 5.1: Superframin sayısal formatı ... 40
ekil 5.2: Birincil cihazdan ikincil cihaza doğru olan haberleşme(PPD'den SPD'e) .. 41
ekil 5.3: İkincil cihazdan birincil cihaza doğru olan haberleşme(SPD'den PPD'e) ... 42
ekil 5.4: Senkronizasyon burst dizisinin şematik gösterimi ... 42
ekil 5.5: Kontrol işareti çerçevesi ve fiziksel katman paketi (PPDU) ... 43
ekil 5.6: PHY referans modeli ... 45
ekil 5.7: PPDU formatı ... 48
ekil 5.8: Alma periyodu yapısı ... 50
ekil 5.9: MAC alt katmanı referans modeli ... 52
ekil 5.10: Superframe formatı ... 58
ekil 5.11: Kontrol işareti çerçevesi iletmek için PPD'nin SPD kesmesi ... 62
ekil 5.12: PPD'nin başlatma periyodu ... 64
ekil 5.13: SPD PPD'yi kesmeye uğratıyor(Cihaz içi haberleşme) ... 65
ekil 5.14: PPD SPD tarafından kesmeye uğratılır (Cihaz içi haberleşme) ... 66
ekil 6.1: ATSV DTV İşaretinin spektrumu ... 68
ekil 6.2: Kablosuz mikrofon İşaretinin(AM modüleli) spektrumu ... 68
ekil 6.3: Işın ölçümüne dayanan uç noktalarının bulunması işlemi ... 69
ekil 6.4: Kablosuz mikrofon İşaretinin SCF'si ... 72
ekil 6.5: ATSV DTV İşaretinin SCF'si ... 72
ekil 6.6: Birincil kullanıcı İşaretini tespit etme işlem ... 73
ekil 6.7: Spektral korelasyon fonksiyonunun oluştrulması ... 73
ekil 6.8: Eb/No=-5dB olunca AM modüleli İşaretinin spektral korelasyonu ... 75
ekil 6.9:ekil38- Eb/No=-5dB olunca ATSV DTV İşaretininspektal korelasyonu ... 75
ekil 6.10: Eb/No=-10dB olunca AM modüleli İşaretinin spektral korelasyonu ... 76
ekil 6.11: Eb/No=-10dB olunca ATSV DTV İşaretinin spektal korelasyonu... 76
ekil 6.12: AM modüleli İşaretin dış hat şekli (noise free) ... 77
ekil 6.13: AM modüleli İşaretin dış hat şekli Eb/No=-10dB ... 77
ekil 6.14: AM modüleli İşaretin dış hat şekli Eb/No=-15dB ... 78
ekil 6.16: ATSV DTV İşaretin dış hat şekli grültü free ... 79
ekil 6.17: ATSV DTV İşaretin dış hat şekli Eb/No=0dB ... 79
ekil 6.18: ATSV DTV İşaretin dış hat şekli Eb/No=-5dB ... 80
ekil 6.19: ATSV DTV İşaretin dış hat şekli Eb/No=-10dB ... 80
ekil 7.1: Tipik bir yazılım tanımlı radyo sistemi ... 84
ekil 7.2: Yazılım tanımlı radyo uygulaması ... 85
ekil 7.3: Spektrum kullanımı ... 85
ekil 7.4: Bilişsel ağ haberleşme fonksiyonu ... 88
ekil 7.5: Spektrum boşlukları ... 89
ekil 7.6: Bilişsel döngü ... 90
ekil 7.7: BR alıcı-verici ve BR geniş bant RF uç birim ... 91
ekil 7.8: Bilişsel döngü ... 92
ekil 7.9: BR ağ mimarisi ... 95
ekil 7.10: Lisanslı banttaki BR ağı ... 96
ekil 7.11: Lisanssız banttaki BR ağı ... 97
ekil 8.1: USRP Anakartı ... 98
ekil 8.2: USRP Anakartı ... 102
ekil 8.3: USRP Anakartı ... 103
ekil 8.4: USRP Anakartı ... 104
ekil 8.5: USRP Anakartı ... 107
ekil 8.6 Kurulumu tamamlamış USRP Devresi ... 108
ekil 8.7: Kurulumu tamamlamış USRP Devresi ... 109
ekil 8.8: Takılmış olan fanın görünüşü ... 110
ekil 8.9:Kurulumu tamamlanmış USRP Board'u kurulumu tamamlanmış olan SMA kablosu takılı dughterboard ... 111
ekil 8.10: Kapak hariç kurulumu tamamlanmış USRP ... 111
ekil 8.11: USRP'nin son hali ... 112
ekil 8.12: VHF Geniş band RX ve VHF dar band TX ... 112
ekil 8.13: USRP ve GNU Radyo kullanarak ses iletimi ... 114
TABLOLAR DİZİNİ
Tablo 3.1: WRAN temel özellikler... 12
Tablo 3.2: DFS Parametreleri ... 32
Tablo 3.3: Bant dışı emisyon değerleri ... 32
Tablo 5.1: Frekans bantları ve modülasyon oranları ... 44
Tablo 5.2: Senkronizasyon alanının formatı ... 48
Tablo 5.3: RTS kod kelime alanı yapısı ... 50
Tablo 5.4: ACK için ANP burstu ... 51
Tablo 5.5: NACK için ANP burstu... 51
Tablo 5.6: MAC katmanı sabitleri ... 117
Tablo 5.7: MIB(MAC Information Base-MAC bilgi tabanı) Simgeleri ... 117
Tablo 5.8: MAC kontrol işareti çerçeve formatı (MPDU) ... 55
Tablo 5.9: Parametre 1 alan formatı ... 55
Tablo 5.10: Parametre 2 alan formatı ... 56
Tablo 5.11 Parametre 3 alan formatı ... 56
Tablo 5.12 Kanal haritası (bit 0'a setlenirse) ... 57
SİMGELER DİZİNİ
f : Fonksiyon
F : İki boyutlu ayrık Fourier dönüşümü
-1
F : İki boyutlu ters ayrık Fourier dönüşümü
}
{
α XR
:Fourier katsayıları}
{
R
αx (τ):Cyclic otokorelasyon(CA) fonksiyonu c : Senkronize alanın periyodik kayması s :Senkronize alan biti
i
r
: RTS kod kelimesi alanındaki i.ci bitKISALTMALAR
ACK Acknowledgement
Onaylama
ANP Acknowledgement/No Acknowledgement Period Onaylama/Onaylamama Periyodu
ATSC Advanced Television Systems Committee İleri TV Sistemleri Heyeti
AWGN Additive White Gaussian Noise Toplanabilir Beyaz Gauss Gürültüsü BS Base Station
Baz İstasyonu
CBP Coexistence Beacon Protocol
Bir Arada Bulunma Kontrol İşareti Protokolü CCTT Channel Closing Transmission Time
Kanal Kapanma İletimi Zamanı
CMT Channel Move Time
Kanal Hareket Zamanı
CPE Consumer Premise Equipment
Kullanıcı Öncül Aleti
DCA Dynamic Channel Allocation Dinamik Kanal Tahsisi DCS Dynamic Channel Selection
Dinamik Kanal Seçimi DDS Direct Digital Synthesis
Direk Sayısal Sentez
DFS Dynamic Frequency Selection Dinamik Frekans Seçimi DS/US Downstream/Upstream
Aşağı yönde/Yukarı yönde DSA Dynamic Spectrum Access
Dinamik Spektrum Erişimi DSL Digital Subscriber Line
Sayısal Abone Hattı
DSS Dynamic Spectrum Sharing Dinamik Spektrum Paylaşımı DSSS Direct Sequence Spread Spectrum
Direkt Sıralı Yayılma Spektrumu DTV Digital TV
Sayısal TV Yayını
EIRP Equivalent Isotropic Radiated Power Eşdeğer İzotropik Yayılım Gücü FCC Federal Communications Commission
ABD Telekomünikasyon Düzenleyici Otoritesi FDC Frame Duration Code
Çerçeve Süresi Kodu
FPGA Field Programmable Gate Array Alanda Programlanabilir Kapı Dizileri
ICT Information and Communications Technology Bilgi ve İletişim Teknolojileri
IDRP Incumbent Detection Recovery Protocol
Zorunlu İşaretlerin Tespitinin İyileştirilme Protokolü IEEE The Institute of Electrical and Electronic Engineers
Elektrik ve Elektronik Mühendisleri Enstitüsü ISM Industrial, Scientific and Medical
Endüstriyel, Bilimsel ve Sağlık ISS Internet Service Provider (ISP)
İnternet Servis Sağlayıcı MAC Media Access Control
Ortam Erişim Kontrolü
MFR MAC Footer
MAC Kuyruğu
MHR MAC Header
MAC Başlığı
MIB MAC Information Base MAC Bilgi Temeli MIC Message Integrity Code
Mesaj Bütünlük Kodu
MLME MAC Sublayer Management Entity MAC Alt katman Yönetim Varlığı
MLME-SAP MAC Sublayer Management Entity Service Access Point MAC Alt katman Yönetim Varlığı Servis Erişim Noktası MPDU MAC Protocol Data Unit
MAC Protokol Veri Birimi MSB Most Significant Bit
En Önemli Bit
NACK No Acknowledgement
Onaylanmayan NHL Next Higher Layer
Sonraki Yüksek Katman
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Dikey Frekans Bölmeli Çoklama
OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access Dikey Frekans Bölmeli Çoklu Erişim
QoS Quality of Service Hizmet Kalitesi
PD Probability of Detection Algılama Olasılığı
PD-SAP PHY Data Service Access Point Fiziksel Veri Servis Erişim Noktası PDU Protocol Data Unit
Protokol Veri Birimi PER Packet Error Rate
Paket Hata Oranı
PFA Probability of False Alarm Yanlış Algılama Olasılığı PHY Physical Layer
Fiziksel Katman
PHR PHY Header
Fiziksel Katman Başlığı PIB PHY Information Base
PLME PHY Layer Management Entity Fiziksel Katman Yönetim Varlığı
PLME-SAP PHY Layer Management Entity Service Access Point Fiziksel Katman Yönetim Varlığı Servis Erişim Noktası PPD Primary Protecting Device
Birinci Koruyucu Cihaz PPDU PHY Protocol Data Unit
PHY Protokol Veri Birimi PSDU PHY Service Data Unit
PHY Servis Veri Birimi RF Radio Frequency
Telsiz Frekansı
RTS Request to Send
Gönderme İstek Mesajı SAP Service Access Point
Servis Erişim Noktası SCF Spectral Corelation Function
Spektral Korelasyon Fonksiyonu SCH Superframe Control Header
Superframe Kontrol Başlığı SDR Software Defined Radio
Yazılım Tanımlı Radyo SHR Synchronization Header
Senkronizasyon Başlığı SNR Signal to Noise Ratio
İşaret Gürültü Oranı SOHO Small Office Home Office
Küçük ofis- ev ofis
SPD Secondary Protecting Device İkincil Koruyucu Cihaz TPC Transmit Power Control
Verici Güç Kontrolü TSS Two Stage Sensing
İki Aşamalı Algılama
UNII Unlicensed National Information Infrastructure Lisanslı Olmayan Ulusal Bilgi Altyapısı
UCS Urgent Coexistence Situation Acil Bir Arada Bulunma Durumu WISP Wireless Internet Service Provider
Kablosuz İnternet Servis Sağlayıcı Wi-Fi Wireless Fidelity
Kablosuz Bağlılık
WLAN Wireless Local Area Network Kablosuz Yerel Alan ağı
WMAN Wireless Medium Area Network Kablosuz Orta Erişim Alan Ağı WPAN Wireless Personal Area Network
Kablosuz Kişisel Alan Ağı WRAN Wireless Regional Area Network
Bilişsel Radyo
Didem Çolak Arslan
Anahtar Kelimeler: IEEE 802.22, Kablosuz Haberleşme, Bilişsel Radyo, Yazılım Tanımlı Radyo
Özet: Teknolojik gelişmelerin her safhası hızlı bir şekilde ilerlemekte ve bireylerin yaşam şeklini değiştirmektedir. Günümüze baktığımızda kablosuz iletişim teknolojilerinin yeni bir dönüm noktası olacağını gözlemlemek olasıdır. Kablosuz iletişimin yaygınlaşmasıyla birlikte spektrum verimli olarak kullanılma gerekliliği ortaya çıkmıştır. Spektrum birçok uygulama tarafından kullanılsa da bazı frekans bantları yeterince kullanılmamaktadır. Bu nedenle, yoğun ve verimsiz spektrum kullanımını engelleyebilmek için “akıllı” spektrum kullanımını sağlayan Dinamik Spektrum Erişimi kavramı ortaya atılmıştır. Bu sayede farklı metotları kullanan kablosuz teknolojiler bir arada daha verimli çalışacaklardır. Bu çalışmada yazılım tanımlı radyo ve bilişsel radyoya ilişkin yazılımsal uygulamalar USRP cihazı kullanılarak oluşturulmuştur. Sonuç olarak donanımsal farklılıklar yerine yazılımsal değişiklikler sayesinde cihazları daha etkin kullanabilmesi gösterilmiştir.
Cognitive Radio Didem Çolak Arslan
Keywords: IEEE 802.22, Wireless Communication, Cognitive Radio Software Define Radio
Abstract: Each phase of the technological developments is improving rapidly and changing the life style of people. If we take a glance at present-day, it is possible to see that wireless communication technologies is going to be a new turning point. By the wireless communication is becoming widespread, it appears that the spectrum must be used efficiently. Although the spectrum is used by a lot of applications, some frequency bands is not being used sufficiently. Therefore, A concept named Dynamic Spectrum Access (DSA) which allows more intelligent spectrum usage, has been put forward to prevent intensive and inefficient spectrum usage. Owing to this concept, wireless technologies which are using different methods, will work together and more productive. In this research, software-defined radio and cognitive radio software applications on the device was created by using the USRP.The object is to be able to use the equipments more effective by modifications in software instead of hardware alteration.
1. GİRİ
Teknolojik gelişmelerin her safhası hızlı bir şekilde ilerlemekte ve bireylerin yaşam şeklini değiştirmektedir. Günümüze baktığımızda kablosuz iletişim teknolojilerinin yeni bir dönüm noktası olacağını gözlemlemek olasıdır. Kablosuz iletişim teknolojisi, en basit tanımıyla, noktadan noktaya veya bir ağ yapısı şeklinde bağlantı sağlayan, bir teknolojidir. Kablosuz iletişim teknolojisini diğerlerinden ayıran nokta ise elektromanyetik dalgaların iletim ortamı olarak havayı kullanmasıdır.
IEEE 802.22 WRAN standardı 54 ve 862 MHz arasındaki UHF/VHF TV bantlarındaki spektrum boşluklarından yararlanılabilmesi amacıyla tasarlanmıştır.TV kanallarının yaklaşık band genişliği 6 - 8 Mhz kadardır. 802.22'de kanalların spektral verimliliği 0.5 - 5 bit/(s/Hz) aralığında değişmektedir. Bu kanallarda 30 km uzaklığa kadar 18 - 24 Mbps veri iletilebilir. Yayılma gecikmesi 400 µs'yi bulmaktadır. xDSL ve kablolu iletişim ortamlarının döşenmediği alanlarda kullanılmak için tasarlanmıştır.MAC Katmanında iki çeşit sezme bulunur: Hızlı ve hassas sezme. Hızlı sezme, tek bir kanal için 1 ms sürerken; hassas sezme yaklaşık 25 ms sürmektedir.
Günümüzde bilişsel radyo ile ilgili yapılan çalışmalar 5 alt başlıkta toplanabilir. 1. Spektrum Sezme: Bilişsel ağların en önemli gereksinimlerinden biri spektrum
boşluklarının sezilmesidir. Boşlukları belirlemede en etkili yöntem birincil kullanıcıların iletişimini tamamen takip etmektir. Oysa vericilerle alıcılar arasındaki tüm iletişimi dinlemek oldukça zor ve uygulanabilir değildir. Bu sebeple çalışmaların büyük bir çoğunluğu spektrumdaki birincil vericileri belirleme üzerinde yoğunlaşmıştır. Bu konudaki çalışma alanları şunlardır: İleteni belirleme (müşterek olmayan çalışma) [Transmitter detection
(non-cooperative detection)]
Eşleşen filtreli belirleme [Matched filter detection] Enerji yardımıyla belirleme [Energy detection]
Çevrimsel salınımından yararlanarak belirleme [Cyclostationary feature det.] Müşterek çalışma [Cooperative detection]
2. Fiziksel Katmanın Yapısı: Fiziksel katmandaki metriklerin belirlenmeye çalışıldığı; senkronizasyon işlemi, başarımın artırılması, servis kalitesinin korunması, kaynak atamanın geliştirilmesi ve iletim protokollerinin hazırlanması gibi araştırma konuları olan problemlerdir.
3. MAC Katmanı: Bir sekme uzaklıktaki bilişsel radyolar arası performansın nasıl iyileştirilebileceği üzerinde gerçekleştirilen çalışmalardır.
4. Ağ Oluşturma ve Yönlendirme: Genelde ad-hoc ağlarda kullanılan ve mesh yapıların oluşturulduğu, sekme sayısının fazla olduğu durumlarda yönlendirmenin de uygun şekilde gerçekleştirilmeye çalışıldığı çalışmalardır.
5. Oyun Teorisi: Birincil baz istasyonlarının gelirlerini arttırmak için boşta olan kanalları ikincil kullanıcılara kiralamaya çalışılan ve sonuçta Nash dengesine yakınsayan çalışmalardır. Birincil kullanıcıların yanı sıra, ikincil kullanıcılar da maliyeti düşürerek daha uygun bir baz istasyonuyla anlaşmaya çalışırlar. Sonuçta, bu sistemler genelde arz-talep dengesine göre hareket ederler.
Gerçekleştirilen tez kapsamında IEEE 802.22 WRAN sistemi, PHY MAC katmanları ve bu sistemde kullanılacak olan bilişsel radyo araştırılmıştır. USRP ve GNU radyo kullanılarak WRAN ve bilişsel radyo için VHF yaklaşık 200 MHz’ de 64 QAM’ de çalışabilen yazılım tanımlı radyo uygulaması gerçekleştirilmiştir.
2. GENEL BİLGİLER 2.1 Radyo İletimi (Yayını)
Uzun mesafelere gidebilen ve binalardan geçebilen radyo dalgalarını üretmek kolaydır, böylece hem kapalı hem de açık mekanda haberleşme için geniş kullanım alanı vardır. Çok yönlüdür yani kaynaktan tüm yönlere doğru hareket ederler, böylelikle verici ile alıcıyı fiziksel bir hizaya sokma zorunluluğu yoktur.
Radyo dalgalarının özellikleri frekansa bağımlıdır. Alçak frekanslarda, radyo dalgaları engellerden rahatça geçerler, fakat mesafe ile güç düşer.Yüksek frekanslarda, düz paralel çizgiler içinde hareket etme eğilimi gösterirler ve engellerden sıçrarlar. Aynı zamanda yağmur tarafından emilirler.
Radyonun kabiliyetine bağlı olarak, uzun mesafeler için iletimde, kullanıcılar arasındaki parazit bir problemdir. Bu sebeple tüm hükümetler biri dışında radyo verici kullanıcılarını lisansladılar.
VLF, LF, ve MF bantları içinde, radyo dalgaları yeri takip eder. Bu dalgalar belki 1000 km için alçak frekanslarda fark edilebilir. AM radyo yayını MF bandı kullanır. Bu bantlardaki radyo dalgaları kolayca binaların içinden geçer. Data iletimi için bu bantları kullanırken ana problem sundukları alçak band genişliği ile ilgilidir.
HF ve VHF bantlarında, yer (toprak) dalgaları yerküre tarafından emilme eğilimindedirler. Bununla birlikte, iyonosfere ulaşan dalgalar, (iyonosfer 100 km’ den 500 km’ ye kadar yükseklikte yerkürenin çevresini dolaşan yüklü partiküller bölgesidir.) iyonosfer tarafından kırılırlar ve tekrar yerküreye gönderilirler. Belirli atmosferik şartlar altında işaretler birkaç kez sıçrarlar.
2.2 Kablosuz Teknolojiler için İletişim Altyapısı
Kablosuz teknolojilerin, sürekli/yaygın hesaplama ortamında en çok bilinenleri IEEE 802 teknolojileridir. Genel olarak IEEE, bünyesinde oluşturduğu özel çalışma
grupları aracılığıyla, var olan kablosuz ağ teknolojilerini standartlaştırmakta, yeni ve gelişmiş kablosuz ortamlar için OSI katmanlarından fiziksel katman ve veri bağı katmanı seviyesinde standartlar oluşturmaktadır. IEEE yanısıra, kablosuz teknolojilerde ilgili cihaz standartlarını ve cihazlar arası iletişim standartlarını belirleyen kar amaçlı veya kar amaçsız çalışan, Blutooth SIG (Bluetooth Special Interest Group), IrDA (Infrared Data Association), ve bu gibi çeşitli organizasyonlar vardır. Aşağıda, var olan başlıca kablosuz standartlar incelenmiştir:
2.2.1. IEEE 802.11
802.11 standartları genel olarak, kablosuz cihaz ara yüzleri ile bunların iletişim kurduğu erişim noktaları arasında uzlaşmayı sağlayarak, kablosuz yerel alan ağları içinde (WLAN) fiziksel seviyede ve ortam erişim kontrolü (MAC) seviyesinde ara yüz standartlarını tanımlar. Bunun yansıra 802.11, yetkilendirme, mahremiyet ve veri bütünlüğünü muhafaza etme gibi güvenlik unsurlarını iletişim protokol mimarisinde mantıksal olarak sunar. IEEE 802.11 teknolojileri, çalıştıkları frekans aralıkları ve destekledikleri veri oranları açısından özelleşmiş ve çeşitlenmiştir. Bu ailenin, son kullanıcılar tarafından isim olarak en çok bilineni 1999 yılında onaylanan IEEE 802.11b standardıdır. U.S. Federal Communications Commission (FCC) frekans kullanım kuralları gereğince, lisans istenmeden serbestçe kullanılabilen Endüstriyel Bilimsel Medikal (Industrial Scientific Medical, ISM ) bant frekanslarında, 2.40 GHz – 2.4835 GHz frekans aralığında çalışan 802.11b, 11 Mbps hızlarında veri oranı destekleyebilmektedir . 802.11g standardı ile, yine ISM frekanslarında, 54 Mbps veri hızlarına ulaşılmaktadır. Ayrıca, 802.11a standardı, 54 Mbps düzeyinde veri hızlarını 5 GHz üzerinde sunmaktadır . 802.11 alt grupları, özellikleri doğrultusunda, yine bu harflendirme sistemiyle çeşitlenmiştir. Bunların son zamanlarda en çok anılanlarından biri de IEEE 802.11i standardıdır. 802.11 spesifikasyonlarında ilk kullanılan güvenlik mekanizması, WEP (Wired Equivalent Protocol), ortaya konulan zayıflığı sonucu, Wi-Fi Alliance tarafından WPA (Wi-Fi Protected Access) ile değiştirilmiştir ve IEEE bunu güncel haliyle olduğu gibi kabul edip 802.11i olarak standartlaştırmıştır.
802.11, WLAN için tasarlanmış olması sonucu, bilhassa 802.11b ara yüz kartları ile dizüstü kullanıcılarının bir yerel ağ içinde çalışmaları sayesinde, en fazla sayıda son kullanıcıya ulaşmış olan kablosuz iletişim altyapısıdır [1].
2.2.2. IEEE 802.15
Kablosuz kişisel alan ağı (Wireless Personal Area Network, WPAN) altyapısı olarak sunulan IEEE 802.15 standardı, her yönde 10 m kapsama alanı olarak ifade edilen kişisel işletim ortamı (Personal Operating Space, POS) için, fiziksel katman ve veri bağı katmanı seviyesinde, kablosuz ağ ara yüz standartlarını tanımlamaktadır. Bluetooth V1.1 teknolojisi için de alt iki katman standardını tanımlayıp bazı eklentiler sunan 802.15 teknolojisi, asıl uygulamalarını kablosuz medya (WiMedia) olarak duyurmuştur. 802.15.3 standardı, bu doğrultuda, kablosuz kişisel alan ağları içinde video veri transferini desteklemek üzere, 20 Mbps veri hızı üzerinde multimedya iletişimi sunmaktadır . Bir başka tür teknoloji imkanı açısından, ultra-düşük maliyetli ve ultra-düşük güç tüketimli iletişim altyapısı olarak IEEE 802.15.4, uzun pil ömrüne imkan tanıyan fakat dolayısıyla düşük veri hızları sunan bir standarttır . 10 Kbps ile 250 Kbps arasında veri hızlarını destekleyen, ZigBee olarak da isimlendirilen 802.15.4 teknolojisi, “piconet” ağlarının geleceği açısından önemli bir altyapıdır. 802.15, WPAN için tasarlanmış olup, bilhassa WiMedia olarak bilinen 802.15.3 ara yüz kartları ile son kullanıcılara ulaşmıştır. Kullanımı, temel olarak, kablosuz yerel ağ ve kablosuz kişisel alan ağları içinde multimedya iletişim uygulamalarını kapsar. Ayrıca, düşük hızlı ama yüksek pil ömürlü sensor ağları ve “piconet” sistem oluşumlarını kapsar [2].
2.2.3. IEEE 802.16
Kablosuz iletişim teknolojilerinde kablolu iletişim hızlarına çıkmak, kablosuz ortamın hayatı kolaylaştırıcı özelliğinin önüne geçip gerçek amaca yönelik olarak, iş süreçlerini hızlandırmaya imkan tanımıştır. u an için her ne kadar yerel alan ağları ortamında değil de metropolitan alan ağları içinde bu imkan daha olanaklı olsa da, gün geçtikçe her tür ortam için performans ve verimlilik arttırıcı araştırmalar, büyük şirketler, üniversiteler ve araştırma geliştirme merkezleri aracılığıyla hızlanmaktadır. IEEE 802.16, bu doğrultuda, kablosuz metropolitan alan ağları (WMAN) içinde, sabit geniş bant kablosuz erişim sistemleri için noktadan-çok noktaya kablosuz iletişim ara yüz standartlarını tanımlar.
IEEE 802.16 standardı, 2 GHz – 11 GHz ve 10 GHz – 66 GHz geniş bant frekans aralıklarında 120 Mbps veri hızlarına ulaşılabilen uygulamaları kapsamaktadır. WiMAX olarak da anılan 802.16 teknolojisi, sabit WMAN için tasarlanmıştır [3].
2.2.4. IEEE 802.20
802.16 teknolojisinin sunduğu sabit geniş bant uygulamalarını mobil imkanlarla sunmak amacıyla, IEEE, Mobil Geniş bant Kablosuz Erişim Çalışma Grubu (Mobile Broadband Wireless Access Working Group, MBWA) adındaki grubu ile IEEE 802.20 standartlarını oluşturmaya çalışmaktadır. 3.5 GHz frekans altında çalışan bu teknoloji üzerinde, IP veri iletimi desteğinin iyileştirilmesine çalışılmaktadır [4].
2.2.5. IEEE 802.21
Kablosuz teknolojiler açısından, bu bölümlerde tanıtılan 802 standartları yanısıra, 802 dışındaki altyapılar da önemli rol üstlenmektedir. Bu farklı teknolojiler, kendi içinde bağımsız olarak günümüz teknolojik imkanları dahilinde çalışabilmektedir. Her iki farklı grup teknolojinin de aynı ortamda çalışması sonucu olası sorunlar, çakışmalar yok edilmeye çalışılmaktadır. Zaten sürekli/yaygın ortamın felsefesindeki görünmezlik için, farklı kablosuz teknolojilerin altyapı olarak da birlikte kullanılabilmesi verimlidir. IEEE, bu farklı teknolojilerin birlikte kullanılmasının ötesinde, temelde, aynı oturumun teknolojik altyapı ortamının değiştiği durumlarda da sürdürülebilmesini amaçlayan çalışma grubunu 2004 yılında kurmuştur. IEEE 802.21 Çalışma Grubu (Media Independent Handover Interoperability Working Group), standartlaştırmaya çalıştıkları araştırmaları sonucunda, bütünüyle görünmez bir ortamda, 802 standartlarının ve 802 dışındaki kablosuz standartların sunduğu iletişimin durdurulmadan birbirine geçişini ve veri iletimi üzerine hizmet sürekliliğini sağlamayı hedeflemektedir [5].
2.2.6. IEEE 802.22
IEEE 802.22, 802 çalışma gruplarından en yeni olanıdır. Grup, Kablosuz Bölgesel Alan Ağları (Wireless Regional Area Networks) içinde noktadan-çok noktaya, sabit kablosuz iletişim için gerekenleri araştırmaktadır. Çalışma grubunun planı, bu doğrultuda, VHF/UHF TV bandındaki 54 MHz – 862 MHZ frekans aralığı içinde kullanılmayan kanallar üzerinde kablosuz iletişimi kapsamaktadır.IEEE 802.22 WRAN (Wireless Regional Access Network), geniş bantlı veri iletişimini bir mahalle ya da kasaba değil bölge çapında sağlamak için düşünülmüştür.
Ancak standart daha kesinleşmemiştir. Deneme sistemleri kurulmakta ve başarımı ölçülmektedir. Bu sistemin, öncekilerin veremediği (Wi-Fİ, Wimax vs.) gezginliği de sağlayacağına inanılıyor. WRAN ülkemizde, özellikle doğu bölgelerimizde yerleşimin seyrek olduğu alanlarda yaşayanların geniş bantlı veri hizmetlerinden yoksun kalmamaları için ümit verici bir sistemdir. Karasal TV yayınlarında sayısallaşmaya adım atıldığında en yeni ve yetkin teknoloji olarak karşımıza çıkması da Türkiye için bir şans. RTÜK’ün mevcut analog yayınlar yerine sayısal TV yayınlarına geçişte, frekans kullanımındaki verim artışı (1’e 5) nedeniyle açığa çıkacak bir kısım frekansları WRAN için ayırması mümkün. Bu frekanslar, UHF alt bölgesinde ya da VHF’ de seçilirse, bir baz istasyonundan 100 km. üzerinde uzaklığa hizmet götürülebilecektir. Önce boşalacak frekanslara bakılmalı ve lisansla tamamlanmalıdır, ardından da 802.22’nin kesinleşmesine bakılmalıdır [6].
3. IEEE 802.22: BİLİSEL RADYO ve WRAN STANDARDI 3.1. Giriş
Kasım 2004 / IEEE 802.22 Çalışma grubu algı yetenekli radyo temeline dayanan yeni kablosuz düzenlemelere tanık oldu. Bu çalışma grubu bilişsel radyo tabanlı WRAN için fiziksel ve ortam erişim kontrolü (PHY ve MAC) katmanlarını araştırarak bir patent geliştirmiştir. Bu katmanlar sayesinde lisans gerektirmeyen araçların TV bandını kullanabilmesi amaçlanmıştır. IEEE 802.22 TV tayfındaki boş kısmın zararlı etkilere ve girişime neden olmadan yeniden kullanılmasını gerektirmektedir. Bilişsel radyo (BR) tekniği tayfın ölçümlenmesi ve birincil kullanıcıların algılanabilmesi için oldukça önemlidir. Bununla birlikte BR’ un diğer bir ileri tekniği dinamik spektrum yönetimi ve radyo çevresinin karakterize edilmesi sayesinde spektrumda diğer kullanıcılarla birlikte var olmayı kolaylaştırmasıdır.
Modern toplumlar bugün mobil haberleşme cihazlarını kullanmaktalar. WI-FI, TV yayınlarını alan cihazlar radyo tayfına bağlı olarak çalışmaktadır. İşte bu ekosisteme bakınca lisans gerektirmeyen bantlar ISM ve UNII kilit rol oynamaktadır. Bu bantlar geniş bant kablosuz erişimlerde, medikal ve endüstriyel uygulamalarda, kablosuz PAN/LAN/MAN ve kablosuz telefonlarda kullanılır. FCC gibi komiteler lisansız bantların kullanımını belirler ve TV bantlarındaki gibi lisans izinlerini verirler.
BR düşük oranda kullanılan radyo spektrumun kullanımı için çözüm olarak görünmektedir. Bu anahtar teknoloji esnek kullanım kolaylığı ve verimli güvenli tayf kullanımı sayesinde radyo işletim karakteristiği gerçek zamanlı olarak çevre şartlarına uydurulabilmektedir. BR özel kullanımlar için lisanslanmış diğer cihazlarla karışmaya uğramadan zeki bir yoldan kullanılmamış tayfın geniş miktarını kullanır. BR radyo teknolojilerinde önemli ilerlemelere yön verecektir (güç kontrolü, yazılım tanımlanması ve frekans ayarlanması gibi…). Geniş bandı algılama gerçek zamanlı spektrum tahsilâtı ve gerçek zaman ölçümleri elde edilir.
Tüm bu gelişmeler sonucunda ise TV bandı alanları NPRM teklifi sonucunda FCC tarafından düzenlenecektir. NPRM tarafından 2004 yılında ilan edilen bildiriye göre amaç TV yayınlarının iletişimini engellemeden lisansız bantta olan servisleri BR tabanlı teknolojiler sayesinde kullanmaktır. IEEE 802.22 aktivitesi ilk BR tabanlı radyo teknolojisine dayalı ve girişim etkisi olmayan bir sistemdir.
ekil 3.2: WRAN Kapsama Alanı[7]
Diğer IEEE 802 standartları incelendiğinde BS kapsama alanı en geniş olan WRAN’ dır. Güç sınırlandırılması getirilmediği taktirde baz istasyonu kapsama alanı 100 km’ yi bulmaktadır. (4 Watt da CPE EIRP anten ile 33 km’ ye kadar ulaşabilmektedir.). ekil 3.2’de görüldüğü gibi WRAN, TV kanallarının sağladığı yüksek güç kullanımı ve uygun yayılma karakteristikleri sayesinde günümüz kablosuz ağları içerinde en geniş kapsama alanına sahip olanıdır [7].
3.2. Benzer Çalışmalar
Bu konuda yine IEEE’ nin bir standardı olan ve 802.16 olarak anılan Wi-MAX vardır. 802.16 ile 802.22 arasında farklar bulunmaktadır. Önemli farklardan birisi kullanım amaçlarıdır, 802.22 kırsal alanları ve uzak alanları hedefler ve kapsama alanı 802.16 dan daha fazladır. Bunun yanında 802.16 da yan kanallara olan etki kullanılan kanallar lisanslı kanallar kullanılmadığı için önem taşımaz. ( 802.16h dışında bu sadece 802.16 sistemleri için bir standart oluşturma çalışmasıdır ).
3.3. IEEE 802.22 ‘nin Hedefleri
IEEE 802.22 WRAN’ nın başlıca hedefi DSL, Kablo Net gibi sabit ve geniş bantlı veri akışını kırsal alanlardaki bilgisayarlara kablosuz olarak aktarmaktır. TV kanallarının bulunduğu radyo spektrumu incelendiğinde bu frekanslarda yayın yapmanın kolaylığı ve geniş kapsama alanı gibi özelliklerin sayesinde birçok kablosuz internet sağlayıcı için büyük bir avantaj sağlamaktadır. TV yayınının da kablolu TV veya uydu sistemleri üzerine kaydığı düşünüldüğünde boş kalan bu spektrumun kullanımı daha da avantajlı hale gelmektedir. 802.22 sayesinde küçük ofis veya ev kullanıcıları, apartmanlar halka açık veya özel yerleşkeler müstakil evleri kapsayacak ve onlara veri, ses ve hatta müzik ve video yayınını uygun bir servis kalitesi ile sunacak şekilde düşünülmektedir.
ABD’de TV kanalları radyo spektrumunda VHF/UHF 2- 69 kanaları kullanmaktadır. Her bir kanal genişliği 6 Mhz’ dir ve bu kanallar 54-72 Mhz, 76-88 Mhz ,174-216 Mhz , 470-806 Mhz’ dir. Bunlara ek olarak TV servisleri birincil servislerdir diğer servisler ise FCC tarafından karışıma neden olmayacak şekilde boş TV kanallarında çalışmasına izin verilen kablosuz mikrofon (part 74) ve PLMRS/CMRS (part 90) özel kara/ticari radyo servisleridir.
3.4. IEEE 802.22 Sistemi
Bu standardın TV kanallarını kullanacağı için ülkelere göre değişen frekans ve band genişliklerine uygun bir şekilde çalışması istenmektedir. Örneğin 54-862 MHz frekanslarda 6, 7, 8 MHz band genişliğine sahip kanallarda sorunsuz bir şekilde çalışması hedeflenmektedir [8].
A: Hava ara yüzü (Air interface)
CPE : Kullanıcı terminalleri (Consumer Premise Equipment) UNI : Kullanıcı ağ arabirimi (User Network Interface) CNI : Çekirdek ağ arabirimi (Core Network Interface) RF : Tekrarlayıcı (Repeater Function)
ekil 3.3: CPE,BS ve birbirleri ile olan bağlantıları.
3.4.1.Topoloji ve benzerlikler
IEEE 802.22 sistemi tek noktadan çok noktaya (P-MP)iletişim topolojisine sahip hücrelerden oluşan hava ara yüzünü baz istasyonları (BS) ile sağlayan ve bunları kullanıcı öncül aletlerine (Consumer Premise Equipments -CPE) bağlayan bir sistem olarak ekil 3.4’deki gibi düşülmüştür.
BS ortama erişimi kontrol eder ve aşağıya bağlantılarda verileri CPE’ lere dağıtır ve CPE’ lerden gelen verileri alır. Bu geleneksel baz istasyonlarında farklı olarak baz istasyonları aynı zamanda dağıtımı sezme yeteneğine de sahip olmalıdır hangi CPE ye hangi paketi göndermesi gerektiğinin denetimini de yapması gereklidir.
Sınır gözetimi ve geniş bantlı kablosuz internet erişimi sağlamak amacıyla düşünülen sistem aşağıdaki temel öğelerden oluşur.
• CPEs (Consumer Premise Equipments) :Kullanıcı terminalleri
• BSs (Base Stations) :Tek noktadan çok noktaya erişimi sağlayacak baz istasyonları
3.4.2. Servis kapasitesi
IEEE 802.22 sistemi spektrum verimliliği 0.5 bit/(sec/Hz) ile 5 bit/(sec/Hz) arasında olması beklenmektedir. Spektrum verimliliğinin yaklaşık 3 bit/(sec/Hz) olduğu düşünüldüğünde Hava ara yüzünün 6 MHz lik bir TV kanalı üzerinden 18 Mbps hızında olduğu görülür. DSL servislerine de uygunluk sağlamak amacıyla aşağı bağlantıda CPE ler için (download) 1.5 Mbps ve yukarı bağlantı da CPE’ler için (upload) 384 Kbps hızı sağlamaktadır. Bu değerler standartı oluşturan Amerika için geçerlidir ve 2 Mbps ve 512 Kbps olarak ayarlanıp 1 TV bandı için en az 3 kullanıcıya hizmet verecek şekilde hizmet sağlanabilir.
3.4.3. IEEE 802.22 Sisteminin temel özellikleri Sistemin temel özellikleri tablo 3.1’ de özetlenmiştir.
Tablo 3.1: WRAN temel özellikleri TİPİK WRAN SERVİS MODELİ
RF KANAL GENİLİĞİ 6MHz
SPEKTRUM VERİMİ 3bit/(sn*Hz)
KANAL KAPASİTESİ 18 Mbit/sn
KULLANICI KAPASİTESİ (ileri yönde) 1.5 Mbit/sn KULLANICI KAPASİTESİ (geri yönde) 384 kbit/sn
KULLANICI ORANI 50:1
İLERİ YÖNDE KANAL BAINA KULLANICI 600 MİN. ÇALIMA
BİRİNCİL NÜFUS 5 % MUHTEMEL MAX. NÜFUS
OLASI KULLANICI SAYISI 1,800
HER BİR EV KULLANICI SAYISI 2.5
NÜFUSUN KAPSAMA ALANINA ORANI 4500
ÇALIMA TİPİ DÜÜK GÜÇ YÜKSEK GÜÇ
WRAN BAZ İSTASYONU EIRP 4 Watts 98.3 Watts
WRAN KULLANICI DONANIMLARI EIRP 163 mWatt 4 Watt
ALAN YARIÇAPI 16.7 km 30.7 km
MİN. YOĞUNLUK ORANI 5.1 kişi/ km2 1.5 kişi/ km2
Tablo 3.1(devamı): WRAN temel özellikleri 3.4.4. Kullanıcı terminalleri
Kullanıcı terminalleri temelde istenen BS ile bağlantıyı sağlayıp internet erişimi için bir ara yüz sağlamasıdır. Kamera ara birimi ile kullanıldığında belirli bir yerdeki görüntüyü WRAN sistemi üzerinde istenen yere aktarması için gerekli ağ işlemlerini yerine getirmesidir. Yani basit bir modem olarak düşünülebilir.ekil 3.5’ te CPE ‘nin sağladığı fonksiyon, şekil 3.6’ da ise CPE’ nin kendisi gösterilmiştir [9].
ekil 3.6: CPE şekli 3.4.5 Baz istasyonları
Baz istasyonları hava ara yüzü ile birbirlerine, kablo veya uydu kanalları ile de çekirdek ağa ve yine hava ara yüzü ile kullanıcı terminalleri ile bağlantıları vardır. Bundan dolayı sistemin yükünü taşıyan doğru orantılı olarak da karmaşıklığı olan bir yapıdadırlar. Her bir ara yüze bağlanabilmesi için içinde ayrı yapıları barındırırlar ağın güvenliği ve başarımı baz istasyonları üzerine binmiştir. Spektrumu sezme frekans bandını değiştirme yoğunluğa göre kanalları ayarlama kanalın etkisine göre kodlama parametrelerini değiştirebilme yetisine sahip olmalıdır. Fiziksel katmanın temelinde OFDMA sistemi vardır.
ekil 3.7: WRAN sisteminde baz istasyonları 3.5. IEEE 802.22 Hava Ara yüzü
802.22’ nin spektrum kullanım özelliklerinden dolayı hava ara yüzü esnek adaptif ve yan kanallara etkisi olmayacak şekilde olması gerekir. Hava ara yüzünde fiziksel katman ve kontrolü sağlayan MAC katmanı spektrum kullanımında etkindir.
3.5.1. Fiziksel katman
BS ve CPE boş bir TV kanalı yani yayın olmayan bir TV kanalı bulduğu zaman MAC sayesinde bu kanalı kullanır bağlantı sonunda ya da herhangi bir sarkma sezdiği zaman bu kanaldan sonra boş olan başka bir kanalı arar. ekil 3.8’ de buna bir örnek verilmiştir.
ekil 3.8: Zamanda ve Frekansta TV Bantlarının Kullanımına Bir Örnek[7]
Fiziksel katman, az karmaşıklık ve yüksek performansı hedefler. Fiziksel katman kullanılacak frekansları servis sağlayacağı kullanıcıya göre veri iletim hızına, kapsama alanına göre seçer. WRAN aşağı bağlantıda kullanıcıların değişen hızlarına göre esneklik sağlamak zorundadır. Aynı zamanda yukarı bağlantıda çoklu erişime de izin vermelidir. Bu çoklu taşıyıcılar sayesinde mümkün olmaktadır. Çoklu taşıyıcılar sayesinde zamanda ve frekans düzleminde işaret kontrol edilebilmektedir ve bu sayede de iki boyutlu slotlar (zaman ve frekans boyutu bulunan slotlar) oluşturulup servis sağlanacak CPE’ ler sınıflandırılabilirler. u anda düşünülen modülasyon OFDMA üzerine kurulu olup fiziksel katman yukarı ve aşağı bağlantı için kanal boşlukları bulunan bir yapıdadır.
WRAN geniş bir kablosuz ağ mimarisi olduğu için gecikmelerin getirdiği sorunları ortadan kaldırmaya yönelik periyodik ön ekler kullanılması hedeflenmiştir. (25us ile 50us arası gecikmeler olabiliyor.) Kullanılacak bu ön eklerinde etkisini ortadan kaldırmak için her bir TV kanalı için yaklaşık 2K taşıyıcı kullanılacaktır.
IEEE 802.22 Fiziksel katmanın ayrıca modülasyon ve kodlamada yüksek esneklik sağlaması gereklidir. Örneğin BS’ den değişik uzaklıklarda yer alan CPE’ lerin haberleşme esnasında BS’ ya ulaştırdıkları işaretlerin SNR değerleri farklıdır. Bu sebepten dolayı BS sistem etkinliğini ve verimini artırmak için her bir CPE’ in konumuna göre hızlı bir şekilde band genişliği, modülasyon ve kodlamayı değiştirmesi gerekmektedir. Bu bağlamda OFDMA kullanıcılar için verimli bir şekilde yerleştirilen taşıyıcılar ile bu sorunlara çözüm olabilmektedir. Genel görüşe göre her bir TV kanalı QPSK, 16-QAM, 64-QAM kullanılarak 48 alt taşıcıya bölünerek 1/2, 3/4, 2/3 oranında konvolüsyon kodlama sonucunda veri iletim hızı her alt kanal için bir kaç Kbps ile bir TV kanalı için 19Mbps hızına kadar ulaşabilmektedir.
Band genişliği ile kapasite doğru orantılıdır, bu yüzden boş olduğu zaman geniş band kullanmak ve kapasiteyi artırmak gerekebilir. Geniş spektrum kullanıldığında veri hızından taviz verilerek gerekli uzaklığa ulaşmak mümkün olabilir. Örneğin BS’ e yakında bulunan CPE’ ler yüksek kapasite kullanırken uzakta bir yerlerde bulunan CPE’ ler çok yolluluk etkisinden dolayı daha düşük veri iletim hızı ve daha fazla güç harcamak zorunda kalacaklardır.
Başlangıçta yapılan analizlerle IEEE 802.22’nin gerektirdiği kapasiteye (19Mbps 30 km‘de) ulaşmanın 1 TV kanalı kullanarak zor olduğu görülmüş. Kanalları birbiri ile bağlayarak bu sorun üstesinden gelinmesi düşünülmüştür. İki kanal bağlama yöntemi sistem için öngörülmüş ve bunlar ardışık kanal ve ardışık olmayan kanal kullanma şeklinde ortaya konmuştur. u andaki IEEE 802.22 standardında düşünülen taslağa göre her iki kanal kullanma stratejisinde yer verilmiştir. Buna rağmen aşağıda anlatılanlar ardışık kanal bağlama sistemine dayanmaktadır. ekil 3.9’ da bu sistemi anlatan basit bir diyagram verilmiştir. Prensipte bağlanabildiği kadar fazla TV kanalının birbirine bağlanıp kullanılması istenir. Buna rağmen pratik gerçekleştirmelerde kısıtlamalarla bağlanabilecek kanal kapasitesi sınırlıdır. US de TV kanalları arasında en az 2 boş TV kanalının olması istenir ( Yüksek çıkışlı bir TV kanalının diğerine etki edeceği düşünüldüğünden. ) WRAN için komşu TV kanalları ile en az bir TV kanalı olacak şekilde bir spektrum kullanması istenir. Yani her bir WRAN aleti 3 TV kanalı kapsayacak şekilde bir spektrum kullanımı söz konusudur. 3 ardışık kanal her bir 6 MHz olarak düşünüldüğünde RF band genişliği 18 MHz olarak görünür.
ekil 3.9: Ardışık Kanal Kullanma[7]
Gerçeklemeyi basitleştirmek için kanal kullanma yöntemi olarak sabit ara taşıyıcılar kullanılır. Kullanılan birleştirilmiş kanallara göre sistem saatini değiştirmek zorunda kalmayan alıcı ile gerçeklemede kolaylık sağlanmış olunur. Bu yöntem sonucunda birleştirilen kanallarla orantılı olarak daha çok FFT alanına ihtiyaç duyulur. Genel olarak sistem 3 TV kanalı için 6K FFT alanına ihtiyaç duyar. Bir aygıt senkronize olmaya başladığında, birleştirilmiş kanallardan hangisinin öncelik sırasına sahip olduğunu bilmez. İlk senkronizasyonu sağlamak için bir Superframe yapısı tanımlanır. Superframe 6MHz olarak iletilir. Yeni aygıtlar ağa bağlandıklarında 6MHz modunda sisteme dahil olmaya çalışır ve Superframe bulduğunda ondan hava ara yüzü için gerekli verileri alırlar. Superframe’ in band genişliği yaklaşık 5 MHz civarıdır. Bu filtrelemede kolaylık sağlar, yan kanalların etkisini azaltır. Başlık içerinde preamble (ön ek) zaman ayarlaması için kullanılır, AGC ayarları ve kanal kestirim parametreleri bulunur. Ön ek 1 sembol başlığı olarak gerçek bilginin içerine eklenir ve aynı bilgi tüm birileştirilmiş TV kanalları üzerinde iletilir.
3.5.1.1 Spektrum algılama
Fiziksel katman için önemli bir gereksinimdir. Bunun birçok algılama mekanizması geliştirilmiştir. Bu mekanizmalar, algılama olasılığı (PD “Probability of Detection”) ve yanlış algılama olasılığı (PFA “Probability of False Alarm”) parametrelerine göre değerlendirilir. Zorunluların tespiti açısından değerlendirilirse yüksek PFA düşük PD’
den daha tolere edilebilir bir değerdir. Spektrum algılama için iki önemli yaklaşım vardır: enerji algılama ve özellik algılama. Enerji tespiti yaklaşımı, ilgilenilen banttaki işaretin enerjisinin belirlenmesine dayanır.
3.5.2. Ortam erişim kontrol (MAC) katmanı
IEEE 802.22 MAC katmanı, gerekli ve zorunlu olan koruma mekanizmalarını uygularken ikincil kullanıcılara yeterli servisi sağlayabilmektedir. Radyo spektrumun efektif kullanımı için MAC, DS ortamına erişimini TDM ile gerçekleştirilir.
3.5.2.1. Superframe ve çerçeve yapıları
Her superframe’in başında, BS(baz istasyonu) haberleşme için kullanılacak her bir TV kanalı içinden özel bir ön ek ve superframe kontrol başlığını (SCH-superframe control header) gönderir. SCH kullanılan çoklu kanallarla, sessiz periyotlarla ilgili bilgilere sahiptir. CPE’ ler bu kanallardan birine ayarlanır ve senkronize olur . SCH’i alan CPE’ ler BS ile ilişki kurmak için gerekli bilgileri de elde eder. Superframe ömrü süresince, birçok kanala yayılmış olan ve bu yüzden daha iyi sistem kapasitesi, veri iletim hızı sağlayabilen, birçok MAC çerçevesi iletilir. Yani esneklik amaçlı olarak MAC tek ya da çoklu kanallarda çalışma yeteneğine sahip CPE’ leri destekler.
Aşağıdaki şekilde çerçeve yapısı gösterilmektedir. Her bir MAC çerçevesi süresince BS, alt ve üst bağlantıları yönetme sorumluluğuna sahiptir. Çerçeve iki kısımdan oluşmaktadır: yukarı bağlantı alt çerçevesi ve aşağı bağlantı alt çerçevesi. Bu iki segment arasındaki sınır uyarlamalıdır ve bu yüzden alt ve üst bağlantılarının kapasitesinin kontrolünü kolayca yapabilir. Aşağı bağlantı alt çerçevesi sadece bir fiziksel PDU’ dan oluşurken Bir yukarı bağlantı alt çerçevesinde birden çok noktadan bilgi aldığı için her biri farklı kullanıcılardan (CPE’ ler) gelen verileri Fiziksel katmanda bir veya birden çok PDU ile alır.
ekil 3.10:IEEE 802.22 Superframe Yapısı[7]
3.5.2.2. Ağa katılım ve başlangıç durumuna gelme
Genelde herhangi bir MAC protokolünü kullanılarak ağa giriş merkezi BS’e olan güvenli düz bağlantı erişimini sağlar. u andaki kablosuz sistemlerden farklı olarak önceden tanımlanmış olan bir kanal yoktur. CPE kullanacağı BS arayabilir. (Buradaki kanal frekans, zaman, kod, yada hepsinin birleşimi anlamında kullanılmıştır. ) bu sebeple MAC de adres kısmı dizayn edilmelidir ki zaten var olan kablosuz MAC protokolünde bu işlemi yapmak için basit bir prosedür bulunmaktadır.
IEEE 802.22 MAC standardında, CPE ilk açıldığında yaptığı TV kanallarını taramada spektrum işgaliyle ilgili bir harita oluşturur ve bu harita var olan TV kanallarında bulunan ya da bulunmayan zorunlu işaretleri gösterir. Daha sonra bu bilgiler BS nakledilir ve CPE’ ler tarafından hangi kanalların boş olup olmadığı belirlenir ve bu şekilde BS’e olan bağlantı araştırılır.
3.6. IEEE 802.22 Dinamik Spektrum Erişimi ve TV Bandının Paylaşımı
IEEE, boş TV bantlarını (54 MHz ile 862 MHz arasında)kullanmak için, IEEE 802.22 WRAN isimli uluslar arası bir standart kurmayı planlamıştır. Kablosuz bölgesel alan ağı (WRAN, Wireless Regional Area Network) IEEE 802.22 standardında, kırsal ve uzak bölgelerdeki kullanıcılara internet ve çoklu ortam hizmetlerine erişim sağlamak amacıyla tasarlanmış bir kablosuz geniş bant teknolojisidir. Gezgin haberleşme teknolojisi ve diğer kablosuz şebekelere oranla çok hızlı veri iletimi sağlamaktadır. WRAN teknolojisinin sağladığı avantajları özetlersek [10]:
• VHF ve düşük UHF frekans bandının kullanımı (54–862 MHz) kullanılmayan TV kanallarının kullanımı
• Kıt kaynak olan spektrumun etkin kullanımı
• Hizmetin verileceği spektrumun, harmonik bant kapsamında değerlendirilmesi • Kapsama alanının geniş olması
• Hızlı ve basit kurulum
WRAN sisteminin yeni özelliklerinden birisi de BR(bilişsel radyo) tekniğinin gerçekleştirilmesidir. BR haberleşme ağı, Dinamik Spektrum Erişim Ağları ve Bilişsel Radyo ağları olarak da bilinen, mobil kullanıcılara heterojen kablosuz mimariyle geniş bir bant genişliği ve dinamik spektrum erişimi sağlayacaktır. Var olan
spektrumun verimsiz kullanımı, var olan kullanıcılarla girişime neden olmadan lisanslı bantlara erişim ile iyileştirilecektir.
Bilişsel radyo teknikleri spektrumu elverişli bir şekilde kullanma ve paylaşma yeteneği sağlar. DSA(Dynamic Spectrum Access-Dinamik Spektrum Erişim) teknikleri bilişsel radyonun en uygun kanalda çalışmasına izin verir. BR teknolojisi, kullanıcıların spektrumun hangi bölümlerinin erişilebilir olduğunu belirlemelerine ve lisanlı kullanıcıları tespit etmelerine(1-spektrum algılama), en uygun kanalı seçmelerine(2-spektrum yönetimi), diğer kullanıcılarla birlikte bu kanala erişimi düzenlemelerine(3-spektrum paylaşımı), ve lisanslı kullanıcılar tespit edildiğinde bu kanalı boşaltmalarına(4-spektrum mobilitesi) olanak sağlar.Bilişsel radyonun esas fonksiyonları aşağıdaki gibi özetlenebilir:
• Spektrum algılama: kullanılmayan spektrumu tespit etmek ve diğer kullanıcılarla girişime girmeden spektrumu paylaşmak
• Spektrum yönetimi: kullanıcı haberleşme ihtiyaçlarını karşılamak için en uygun kanalı yakalamak
• Spektrum mobilitesi: en iyi spektruma geçişte kesintisiz haberleşmeyi korumak • Spektrum paylaşımı: BR kullanıcıları arasında adil bir spektrum planlaması
sağlamak
3.6.1. Birlikte bulunma
Birlikte var olma bilişsel radyonun esas yetenekleri arasındadır. 802.22 içeriğinde birlikte bulunmanın iki yönü vardır: i) zorunlularla birlikte bulunma ii) bizzat bir arada bulunma. Zorunlularla birlikte bulunma, birincil kullanıcılarının tespitinin daha güvenilir, verimli ve tam zamanında olması için dinamik spektrum erişim mekanizmalarıyla ilgilenir. Bizzat bir arada bulunma 802.22 hücreleri arasında düzenlenmiş dinamik spektrum paylaşımını gerektirir.
3.6.1.1. Antenler
IEEE 802.22 her bir CPE için bir yönlü ve bir omni-yönlü (kazancı 0dBi yada daha yüksek) iki ayrı antene ihtiyaç duyar. Yönlü anten çoğunlukla BS’ le iletişim için kullanılmaktadır. Bu antende istenilmeyen yönlere ışın yaymayarak girişimi en aza indirmesi beklenmektedir. Omni antenin, birincil kullanım nedeni ise algılama ve
ölçümleme yapması içindir. Bu sebeple güvenli algılama işlemi bu anten tarafından yapılır.
3.6.1.2. TV ve kablosuz mikrofonla bir arada bulunma
IEEE 802.22 de BS’ ler ve CPE’ ler RF algılama ve BR-tabanlı tekniğe dayanan zorunlu korunmayla sorumludur. Tek bir CPE’ nin ölçümleme performansı güvenilir olmayacağından, BS tarafından periyodik dağıtık algılama mekanizması kullanılır. Bu mekanizma veri birleştirme ve ölçümleniş tüm verilere dayanarak verimli spektrum kullanım süresini sağlamayı amaçlar.
3.6.1.3. PLMRS/CMRS ile bir arada bulunma
Tipik olarak PLMRS/CMRS coğrafik tabanlı lisanslı işletimlerdir. BS’ ler onların yerlerini ve durumlarını spektrum kullanım tablosundan bilmektedir.
3.6.2. Ölçümler ve spektrum yönetimi
802.22 sistemi gerekli esnekliği ve spektrum verimliliğini sağlayacak spektrum yönetimini ve ölçümlerini içerir. BS, kendisiyle ilişkili olan CPE’ lere, içi ve bant-dışındaki periyodik ölçümleri gerçekleştirmek üzere talimat verir. Bant içi ölçümler baz istasyonunun CPE’ lerle haberleşmek için kullandığı kanallarla ilgili iken, bant dışı ölçümler diğer kanallarla ilgilidir.
Bant içi ölçümler için baz istasyonu kanalı sessizleştirir ve bu sessiz kalma periyotlarında kanalda herhangi bir işaret olup olmadığını kontrol eder, bu şekilde spektrum algılamayı gerçekleştirmiş olur. Bu yüzden bant içi algılamanın MAC’ deki kontrolünün daha dikkatli yapılması gerekirken, bant dışı algılama daha az kritiktir. Zorunlu işaretleri tespit etmek için, 802.22 cihazları çok düşük SNR değerine sahip işaretleri tespit edebilmelidir.
Farklı CPE’ lerdeki zorunlu kullanıcıları tespit etme mekanizmalarına göre ölçümler farklı zaman alabilir. Baz istasyonu hangi CPE’ lerin hangi kanalları ne kadar süre boyunca ölçeceğini belirtir.
3.6.2.1. Zorunlu işaretlerin tespiti
Bant içi kanallar için 802.22 sisteminin MAC katmanı iki aşamalı algılama mekanizmasını gerçekleştirir. Hızlı algılama ve hassas algılama:
ekil 3.12: İki aşamalı algılama [7] A. Hızlı algılama
Hızlı algılama aşaması bir veya daha fazla hızlı algılama periyodundan oluşur, yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi. Bu aşamada hızlı algılama algoritması uygulanır.(örn. Basit enerji tespiti yöntemi) Tipik olarak bu çok hızlı bir şekilde yapılır(1ms/kanal) ve bu yüzden oldukça verimlidir. Bütün CPE’ ler ve BS tarafından yapılan ölçümlerin sonucu bu aşama sırasında BS’ de birleştirilir ve sonraki hassas algılama aşama için ihtiyaca karar verir. Örneğin, eğer bu aşamada, etkilenen kanaldaki enerjisinin zorunlu işaretleri algılama eşik değerinden düşük olduğu sonucuna varılırsa BS sonraki planlanmış hassas algılama aşamasını iptal etme kararı verebilir.
B. Hassas algılama
Bir önceki hızlı sezme durumuna göre BS; bu aşamanın yapılıp yapılmayacağına karar verir. Bu aşamanın gerekliliğine karar verilmesi durumunda hedef kanal üzerinde daha duyarlı ölçümler alınır ve değerlendirilir.Bu iki aşamalı algılama işleminin esas faydalarından biri bilişsel radyo ağının gerçek zamanlı uygulamalar için gerekli servis kalitesine ulaşmasını sağlamasıdır.
3.6.2.2. Zorunlu işaretlerin bildirilmesi
Zorunlu işaretler tespit edildiği zaman bunun belirli bir zaman içinde BS’e ulaştırılması gerekir. Bu için birçok mekanizması geliştirilmiştir. Örneğin, CPE MAC çerçevesindeki UCS slotlarını (Urgent Coexistence Situation - Acil Bir Arada Bulunma Durumu)kullanarak bildirebilir. UCS penceresinin tahsisi bütün CPE’ ler tarafından bilindiği için herhangi bir CPE girişim altında olursa kullanılabilir.
3.6.2.3. Zorunlu işaretlerin tespitinin iyileştirilmesi
BS bant içinde zorunlu işaretleri tespit ettiği zaman, iyileştirme operasyon moduna geçer. Bu modda iken BS Zorunluları Tespit Etme İyileştirmesi Protokolü’nu çalıştırır (Incumbent Detection Recovery Protocol IDRP), bu protokol ağın minimum performans bozulmasıyla normal operasyon modunu yenilemesine izin verir. IDRP, sistemi zorunlu işaretlerden korurken, QoS’ ni kabul edilebilir bir seviyede tutmayı sağlar.
IDRP’ deki anahtar konulardan birisi yedek kanalların kullanılmasıdır, böylece MAC’ e zorunluların tespiti durumunda haberleşmeyi yeniden kurabilmesine izin verir. Yedek kanallar öncelik listesinde saklanır ve özellikle iyileştirme işlemi sürecinde CPE tarafından kullanılırlar. Böylece, BS ve CPE hangi kanallarda zorunlu işaretlerin gözükebileceğini önceden bilirse, iyileştirme işlemi oldukça verimli bir şekilde yapılabilir. Son olarak, bu işlemin düzgün bir şekilde yapılması için, BS tarafından CMT(Channel Move Time) ve CCTT(Channel Closing Transmission Time) sınırları içinde programlanabilmelidir. Böylece, servis aniden durdurulmak zorunda kalmaz.
3.6.3. Bizzat bir arada bulunma
Bizzat bir arada olma özelliği diğer IEEE 802 standartları gibi standartlaşma aşamasından sonra ele alınmak yerine standart tanımlanırken IEEE 802.22 çalışma grubu tarafından hava ara yüzünün bir parçası olarak ele alınmış ve protokol ve algoritmaları tanımlanmıştır. ekil 3.1‘ de de görüldüğü gibi 802.22’ de çoklu BS ve CPE‘ ler aynı yakın çevrede kullandıkları bu uygun ölçüler sayesinde hava ara yüzünden iletişimi gerçekleştirebiliyorlar fakat kendiliğinden olan girişimler sistemin kullanımını etkilemektedir. Bu karışım 802.22 yayın sahasını 100 Km’ ye
çıkardığında bu durum herhangi bir lisanlı olmayan teknolojilerde görülmediği şekilde daha da artacaktır.Bizzat bir arada bulunma, birbirlerinin radyo sahasının içinde olan 802.22 şebekelerini ima eder ayrıca birbirleriyle superframelerini senkronize edebilmelilerdir.Güncel taslak standardında, anlatılan bu senkronizasyon BS’ ler ve/veya CPE’ ler tarafından zaman kodları (Çağırılan birlikte bulunma kontrol işaretleri) birlikte iletilen kontrol işaretleriyle başarılmıştır. Öyle ki komşu CPE’ lerde buna kulak misafiri olmuşlardır.Bir şebekenin içinde buluna CPE’ ler, ne zaman kendi BS’ iyle iletişime geçemezse, komşu şebekeden birlikte bulunma kontrol işaretlerini araştırmaya başlar. Bir BS komşudan gelen birlikte bulunma kontrol işaretini aldığı zaman (dosdoğru veya kendi CPE’ sinin birinden aldığında) superframenin başlangıç zamanını kendi kurallarına göre ayarlar. Bu teknik tamamiyle dağıtılmıştır ve senkronizasyon yakınsaması bu kuralla göre sağlanmaktadır.Aşağıda farklı şebekelerin aynı superframe başlangıcına ne kadar çabuk ve güvenilir biçimde ulaştıklarına ilişkin bir simülasyon çıktısı bulunmaktadır.
ekil 3.13: IEEE 802.22 şebekesinde senkronizasyon [7]
IEEE 802.22 taslağı, bu konuyu iki şekilde sunar, CBP(Coexistence Beacon Protocol) yani birlikte var olma kontrol işaret protokolü ve inter-BS(BS-arası) haberleşmesi. Inter-BS haberleşmesi pasif bir metottur. Bu bağlamda kasten başlatılamaz, fakat BS’ ler tarafından her superframin başında periyodik olarak gönderilen SCH(Superframe Control Header) paketlerine bağlıdır. CBP ise hem alıcı hem verici modda davranabilir.
3.6.3.1. CBP Protokolü
CBP protokolü CPE ve BS’ lere, birlikte var olma(coexistence) kontrol işaretleri iletmesine izin verir, bu işaretler, üst üste binen 802.22 hücreleri arasında birlikte var olmaya(coexistence) ve DSS(Dynamic Spectrum Sharing)’ye erişmek için yeterli bilgiyi taşırlar. CBP işaretleri, DS/US(Downstream/Upstream) bant genişliği dağılımı için olduğu kadar hücre içi haberleşme ve hücreler hakkında özel bilgi taşımak için de tasarlanmıştır. CBP işaretlerini alan istasyonlar bu bilgiyi kullanabilirler ve kendi iletimlerini komşularının atamalarıyla karışmayan zaman periyotlarında programlayabilirler. Bu yüzden dinamik spektrum paylaşımı(DSS) sadece frekans uzayında değil zaman uzayında da yapılabilir.
CBP işaretleri BS tarafından aşağıdaki şekildeki gibi self-coexistence pencereleri ile listelenebilirler. Bizzat bir arada bulunma (Self-coexitence) penceresi kanal erişiminin rekabet bazlı olduğu zaman periyotlarını ifade eder, spektrum kullanımı maksimize etmek için. Diğer bir deyişle, bu sure içinde CPE’ ler ortama erişmek ve CBP paketlerini iletmek için rekabet temelli erişim mekanizmasını kullanmalıdır.
Birlikte olma olasılığını artırmak için bir CPE bir frame boyunca her zaman BS’ sine kilitlenmez. CPE sadece o BS’ den data alıp vermek için programlanmışsa o BS’ ye kilitlenir. Frame boyunca diğer bütün zamanlarda, CPE preamble korelasyonu vasıtasıyla ortamı dinler ve CBP işaretini arar.
BS tarafından diğer üst üste binen hücrelerden CPE işaretlerini aramak için kullanılan bir mekanizma ya kısa sessiz periyotları kullanır yada alıcı modda self-coexistence pencerelerini listeler. Sonraki durumda, CPE pencere suresince herhangi bir iletim yapmaz, fakat sadece CBP paketleri için ortamı dinler.
CBP işaretleri, bir çok farklı yolda kullanılan önemli bilgiler taşırlar. Örneğin, bir CPE farklı bir hücreye ait CPE’ den CBP işareti alırsa, bu CPE’ nin yapabileceği ilk is alınan bilgiyi BS’ sine taşımak olur. BS sırayla interference- free listeleme algoritması uygulayabilir, bu algoritma CPE’ den yada CPE’ ye doğru olan farklı DS/US(Downstream/Upstream) trafiğini planlar. Bu bilginin başka bir kullanımı da bant genişliği talebi amaçları içindir. Bu durumda, CPE bant genişliği tahsisi kısıtlama elemanlarına içerebilir [11].
