Bilişsel radyo ağları için yeni bir kanal kullanım iyileştirme yöntemi

i

ÖNSÖZ VE TEŞEKKÜR

Son yıllarda kablosuz kullanıcı sayısının artmasıyla birlikte ortaya çıkan spektrum yetersizliği, bilişsel radyo kavramının doğmasına neden olmuştur. Bilişsel radyo, bulunduğu çevrede sezme işlemi yapabilen ve çevre şartlarına uygun olarak sistem parametrelerini ayarlayan radyo teknolojisidir. Belirli bir ortamda lisanslı kullanıcılara tahsis edilmiş spektrumdaki boşlukları algılayan ve lisanssız kullanıcıların bu boşlulardan yararlanmasını sağlayan bilişsel radyo, spektrumun daha verimli bir şekilde kullanılmasını sağlayarak, spektrum kullanım oranını arttırır. Bilişsel radyonun kablosuz ortam erişim teknikleri ile birlikte giderek artan kullanımı, spektrum yetersizliği problemine çözüm olarak öngörülmektedir.

Yüksek lisans tez aşamasına geçtiğim günden itibaren bana bütün çalışmalarımda yardımcı olan, beni yönlendiren, akademik hayata uyumumu sağlayan değerli Hocam Yrd. Doç. Dr. Sedat ATMACA’ya, lisans eğitimimden itibaren akademisyen olma yolunda beni yönlendiren ve hiçbir zaman desteklerini esirgemeyen değerli Hocam Prof. Dr. İsmail ERTÜRK’e, çalışmalarımda bana her zaman destek olan değerli Hocam Alper KARAHAN’a ve diğer tüm çalışma arkadaşlarıma teşekkürlerimi sunarım.

Ayrıca, BİDEB2228 Yurtiçi Yüksek Lisans Burs Programı ile bana sağladığı maddi desteklerden dolayı TÜBİTAK’a teşekkür ederim.

Bugünlere kadar gelmemde sonsuz emeği olan, hiçbir zaman desteklerini esirgemeyen ve eğitimim için gereken her şeyi gerçekleştirme yolunda çaba gösteren aileme saygı, sevgi ve sonsuz teşekkürler.

ii İÇİNDEKİLER ÖNSÖZ VE TEŞEKKÜR ... i İÇİNDEKİLER ... ii ŞEKİLLER DİZİNİ ... iv TABLOLAR DİZİNİ ... v SİMGELER DİZİNİ VE KISALTMALAR ... vi ÖZET... ix ABSTRACT ... x GİRİŞ ... 1

1. KABLOSUZ HABERLEŞME SİSTEMLERİ, KABLOSUZ AĞLAR VE YAPILAN ÇALIŞMANIN LİTERATÜRDEKİ YERİ ... 5

1.1. Giriş ... 5

1.2. Kablosuz Ağlarda Haberleşme Yöntemleri ... 6

1.3. Kablosuz Ağlar için Kritik Öneme Sahip Gereksinimler ... 8

1.4. Kablosuz Haberleşme Sistemlerinde Sınırlamalar ... 9

1.4.1. Çok yollu yayılma ... 9

1.4.2. Spektrum yetersizliği ... 11

1.5. Bilişsel Radyo Ağlarda Ortam Erişim Tekniklerinin Kullanımı ... 12

2. KABLOSUZ HABERLEŞME SİSTEMLERİNDE ÇOKLU ERİŞİM TEKNİKLERİ ... 15

2.1. Giriş ... 15

2.2. Tahsis Tabanlı Çoklu Erişim Teknikleri ... 15

2.2.1. FDMA ... 16

2.2.2. TDMA ... 17

2.2.3. CDMA... 19

2.3. Çekişme Tabanlı Çoklu Erişim Teknikleri ... 21

2.3.1. Aloha ... 21

2.3.2. Slotted Aloha ... 24

2.3.3. CSMA ... 27

3. BİLİŞSEL RADYO SİSTEMLERİ ... 31

3.1. Giriş ... 31

3.2. Kablosuz Bölgesel Alan Ağları ve Bilişsel Radyo ... 33

3.2.1. Kablosuz bölgesel alan ağları ... 33

3.2.2. Bilişsel radyonun kablosuz bölgesel alan ağlarında kullanımı ... 33

3.3. Bilişsel Radyo Ağları ... 33

3.4. Bilişsel Radyo Ağların Uygulamadaki Yeri ... 35

3.5. Bilişsel Radyo Ağlarda Spektrum Sezme ... 36

3.5.1. AWGN kanalda spektrum sezme ... 38

3.5.2. Rayleigh kanalda spektrum sezme ... 40

3.5.3. Rayleigh tipi sönümlemeli kanalın yapısı ve Rayleigh tipi sönümlemeli kanalda yakalama etkisi ... 41

4. BİLİŞSEL RADYO AĞLARI İÇİN YENİ BİR KANAL KULLANIM İYİLEŞTİRME YÖNTEMİ TASARIMI ... 44

iii

4.2. Önerilen Yöntemin Analitik olarak Modellenmesi ... 45

4.2.1. Birincil ağın analitik modeli ... 45

4.2.2. Bilişsel radyo ağın analitik modeli ... 46

4.2.3. Bilişsel radyo ağın AWGN kanalda analitik modeli... 47

4.2.4. Bilişsel radyo ağın Rayleigh kanalda analitik modeli ... 49

4.3. Önerilen Bilişsel Radyo Ağın Benzetim Modeli ... 51

4.3.1. Baz istasyonunun benzetim modeli ... 51

4.3.2. Paket yapısı ... 52

4.3.3. Birincil kullanıcıların benzetim modeli ... 53

4.3.4. Bilişsel radyo kullanıcıların benzetim modeli ... 54

5. ÖNERİLEN KANAL KULLANIM İYİLEŞTİRME YÖNTEMİNİN ÖRNEK BİR AĞ UYGULAMASI VE BAŞARIM DEĞERLENDİRMESİ ... 57

5.1. Giriş ... 57

5.2. Önerilen Yöntemin Örnek Bir Ağda Uygulanması ... 57

5.3. Birincil Ağın Başarım Değerlendirmesi ... 59

5.4. Bilişsel Radyo Ağın Başarım Değerlendirmesi ... 59

5.4.1. Bilişsel radyo ağın AWGN kanalda başarım değerlendirmesi ... 59

5.4.2. Bilişsel radyo ağın Rayleigh kanalda başarım değerlendirmesi ... 60

5.5. Ağın Toplam Başarım Değerlendirmesi ... 61

5.5.1. AWGN kanalda ağın toplam başarım değerlendirmesi ... 61

5.5.2. Rayleigh kanalda ağın toplam başarım değerlendirmesi ... 61

5.6. Analitik ve Benzetim Model Sonuçları ... 62

6. SONUÇLAR VE ÖNERİLER ... 68

KAYNAKLAR ... 71

EKLER ... 75

KİŞİSEL YAYIN VE ESERLER ... 79

iv

ŞEKİLLER DİZİNİ

Şekil 1.1. Yayın iletiminin temel yapısı ... 7

Şekil 1.2. Saçılma ve kırılma ... 10

Şekil 1.3. Yansıma ve kırınım ... 10

Şekil 2.1. Kablosuz ortam erişim teknikleri ... 15

Şekil 2.2. Farklı kanalların farklı frekans bantlarına atanması ... 16

Şekil 2.3. Her kullanıcının bir zaman dilimini kullandığı TDMA yapısı ... 18

Şekil 2.4. CDMA sistemde kanal yapısı ... 20

Şekil 2.5. Aloha protokolünde paket çarpışmaları ... 22

Şekil 2.6. Aloha protokolünde yüke göre iş çıkarma oranı ... 24

Şekil 2.7. Slotted Aloha protokolünde paket çarpışması ... 25

Şekil 2.8. Slotted Aloha protokolünün ortalama yüke göre iş çıkarma oranı ... 26

Şekil 2.9. RTS / CTS yapısını kullanan CSMA / CA çalışma algoritması ... 29

Şekil 3.1. Bilişsel radyonun gelişimi... 32

Şekil 3.2. Bilişsel radyo ortamı ... 35

Şekil 3.3. Enerji sezme tekniği ... 37

Şekil 3.4. Rayleigh ve AWGN kanalda spektrum sezme... 37

Şekil 4.1. Önerilen ağın zaman dilimi yapısı ... 45

Şekil 4.2. Baz istasyonu süreç modeli ... 51

Şekil 4.3. Baz istasyonu düğüm modelinin yapısı ... 52

Şekil 4.4. Paket yapısı ... 52

Şekil 4.5. Birincil kullanıcılar için süreç modeli... 53

Şekil 4.6. Birincil kullanıcıların düğüm modeli ... 54

Şekil 4.7. Bilişsel radyo kullanıcıların süreç modeli... 55

Şekil 4.8. Bilişsel radyo kullanıcıların düğüm modeli ... 56

Şekil 5.1. OPNET ağ yapısı ... 58

Şekil 5.2. Birincil ağ için iş çıkarma oranı ... 62

Şekil 5.3. Bilişsel radyo ağın AWGN kanalda iş çıkarma oranları ... 63

Şekil 5.4. AWGN kanalda Pfa=0,1 olduğu durum için iş çıkarma oranları... 64

Şekil 5.5. Pidle=0,9 olduğu durumda Rayleigh kanalda iş çıkarma oranları ... 64

Şekil 5.6. Yakalama oranı 3 olduğunda Rayleigh kanalda iş çıkarma oranları ... 65

Şekil 5.7. GCR=GPR olduğu durumda ağın toplam iş çıkarma oranları ... 66

v

TABLOLAR DİZİNİ

vi

SİMGELER DİZİNİ VE KISALTMALAR

Bc : Kanal bant genişliği, (bit/s)

Bg : Koruma bandı

Bt : Tahsis edilen toplam spektrum

c : Zaman ve bant genişliği çarpımı, (bit) E : Karar istatistiği

G : Ortalama yük, (paket)

GCR : Bilişsel radyo ağ için ortalama sunulan yük, (paket)

GCRmax : Bilişsel radyo ağ için ortalama sunulan yükün en yüksek değeri, (paket)

GPR : Birincil ağ için ortalama sunulan yük, (paket)

H0 : Birincil kullanıcıların ortamda yokluğu

H1 : Birincil kullanıcıların ortamda varlığı

k : Giriş sinyali k(t) : Gürültü KS : Kanal sayısı

m : En yüksek kullanıcı sayısı n : İndis

N : Örnek sayısı

NCR : Bilişsel radyo kullanıcıların sayısı

NPR : Birincil kullanıcıların sayısı

p : Bir olayın veya durumun gerçekleşme olasılığı P[•] : Olasılık fonksiyonu

Pcap : Yakalama olasılığı

Pcap(z) : Yakalama olasılığı fonksiyonu

Pd : Sezme olasılığı

Pdray : Rayleigh kanalda sezme olasılığı

Pfa : Yanlış alarm olasılığı

Pidle : Birincil kullanıcıların boşta olma olasılığı

Pm : Yanlış sezme olasılığı

Pn : Test paketin n tane diğer paketle çakışma olasılığı

Ps : Başarılı paket gönderme olasılığı

Pt : Bir bilişsel radyo kullanıcının paket gönderme olasılığı

Rn : Ortalama yükün Poisson dağılım denklemi

S[n] : Alınan sinyal

SAloha : Aloha tekniğinin iş çıkarma oranı

SCR : Bilişsel radyo ağ iş çıkarma oranı

SCR,eff : Bilişsel radyo ağ etkin iş çıkarma oranı

SPR : Birincil ağ iş çıkarma oranı

SSAloha : Slotted Aloha tekniğinin iş çıkarma oranı

ST : Toplam ağ iş çıkarma oranı

SNR : AWGN ve Rayleigh kanal için sinyal gürültü oranı Td : Veri iletim zamanı, (s)

vii U : Ortalama etkin sunulan yük, (paket) Y[n] : Rayleigh sinyal

z : Yakalama oranı

qs : Alınan paketin anlık gücü, (W)

Q(•) : Genel Q Fonksiyonu Q-1(•) : Genel Q Fonksiyonun tersi

Qi : Test paketi haricindeki tüm paketlerin güçleri toplamı, (W)

Qn : Isıl gürültü gücü, (W)

Qs : Ortalama alınan güç, (W)

Qt : Test paketin gücü, (W)

W : Bant genişliği, (bit/s) W[n] : AWGN sinyal X[n] : Alınan sinyal örneği α : Paket iletim süresi, (s) β : Ortalama paket varış hızı γ : Ön tanımlı karar eşiği

λCR : Bilişsel radyo kullanıcıların paket üretim hızı, (paket/s)

λPR : Birincil kullanıcıların paket üretim hızı, (paket/s)

μ : Kanal kullanım oranı, (%)

N(a,b) : a ortalama ve b varyansa sahip Normal dağılım denklemi σs2 : Alınan sinyalin varyansı

σy2 : Rayleigh sinyalin varyansı

σw2 : Toplanır beyaz Gauss gürültüsü sinyalin varyansı

τ : Sezme zamanı, (s)

Kısaltmalar

ACK : Acknowledgement (Alındı Sinyali)

AWGN : Additive White Gaussian Noise (Toplanır Beyaz Gauss Gürültüsü) BR : Bilişsel Radyo

CA : Collision Avoidance (Çarpışmadan Kaçınma) CD : Collision Detection (Çarpışma Sezimi)

CDMA : Code Division Multiple Access (Kod Bölmeli Çoklu Erişim) CR : Cognitive Radio (Bilişsel Radyo)

CSMA : Carrier Sense Multiple Access (Taşıyıcı Sezen Çoklu Erişim) DIFS : Distributed Inter Frame Space (Dağıtılmış Çerçeveler Arası Boşluk) FDM : Frequency Division Multiplexing (Frekans Bölmeli Çoğullama) FDMA : Frequency Division Multiple Access (Frekans Bölmeli Çoklu Erişim) FIFO : First-In-First-Out (İlk-Giren-İlk-Çıkar)

FM : Frequency Modulation (Frekans Modülasyonu)

GPRS : General Packet Radio Service (Genel Paket Radyo Servisi)

IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers (Elektrik ve Elektronik Mühendisleri Enstitüsü)

IID : Identical and Independent (Özdeş ve Bağımsız) IR : Infra Red (Kızılötesi)

MAC : Medium Access Control (Ortam Erişim Kontrolü) NACK : Negative Acknowledgement (Olumsuz Alındı Sinyali) OEK : Ortam Erişim Kontrolü

viii

PCM : Pulse Code Modulation (Darbe Kod Modülasyonu)

PCS : Personal Communication System (Kişisel Haberleşme Sistemi) RTS / CTS : Request to Send / Clear to Send (Gönderme Bildirimi)

SNR : Signal to Noise Ratio (Sinyal Gürültü Oranı)

TDM : Time Division Multiplexing (Zaman Bölmeli Çoğullama) TDMA : Time Division Multiple Access (Zaman Bölmeli Çoklu Erişim) WAP : Wireless Application Protocol (Kablosuz Uygulama Protokolü) WRAN : Wireless Regional Area Network (Kablosuz Bölgesel Alan Ağları) WSN : Wireless Sensor Network (Kablosuz Algılayıcı Ağ)

Alt İndisler

CR : Cognitive Radio (Bilişsel Radyo) PR : Primary (Birincil)

ix

BİLİŞSEL RADYO AĞLARI İÇİN YENİ BİR KANAL KULLANIM İYİLEŞTİRME YÖNTEMİ

ÖZET

Bu tez çalışmasında, Bilişsel Radyo (BR) ağlarında Slotted Aloha rasgele erişim tekniğini kullanan yeni bir kanal kullanım iyileştirme yönteminin tasarımı, modellenmesi ve başarım değerlendirmesi yapılmıştır. Tasarlanan kanal kullanım iyileştirme yönteminin analitik modeli geliştirilmiş ve MATLAB yazılımı kullanılarak, başarım değerlendirmesi yapılmıştır. Ayrıca, OPNET Modeler yazılımı kullanılarak benzetim modeli de oluşturulmuştur ve her iki modelden elde edilen sonuçlar karşılaştırılarak, analitik modelden elde edilen sonuçlar doğrulanmıştır. Bu çalışmada, birincil kullanıcılar ve BR kullanıcılar olmak üzere iki farklı kullanıcı grubunun aynı iletişim ortamında yer aldığı bir ağ modeli düşünülmüştür. Birincil kullanıcılar, lisanslı kullanıcılardır ve kanala doğrudan erişim hakkına sahip oldukları için istedikleri zaman kanala erişirler. BR kullanıcılar ise, lisanslı olmayan kullanıcılardır ve kanala sadece birincil kullanıcılar olmadığında veya birincil kullanıcılara girişim oluşturmadan erişebilirler. Geliştirilen ağ modelinde, birincil kullanıcılar Ortam Erişim Kontrol (OEK) protokolü olarak Zaman Bölmeli Çoklu Erişim (Time Division Multiple Access - TDMA) tekniğini kullanarak kanala erişirler. BR kullanıcılar ise, Slotted Aloha rasgele erişim tekniğini kullanarak, kanal boşta iken kanala erişebilirler. Tez çalışmalarında Toplanır Beyaz Gauss Gürültüsü (Additive White Gaussian Noise - AWGN) ve Rayleigh kanal modelleri kullanılmıştır. Her iki kanal modeli için de hem bilişsel ağın, hem de toplam ağın iş çıkarma başarımları incelenmiştir. Rayleigh kanal modelinde yakalama etkisi (capture effect) göz önünde bulundurularak, ağın iş çıkarma oranı AWGN kanal modeline göre önemli ölçüde arttırılmıştır.

Anahtar Kelimeler: Bilişsel Radyo, Rasgele Erişim, Slotted Aloha, Spektrum

x

A NEW CHANNEL UTILIZATION IMPROVEMENT METHOD FOR COGNITIVE RADIO NETWORKS

ABSTRACT

In this thesis, a new Slotted Aloha based channel utilization improvement method in Cognitive Radio (CR) networks is designed, modeled, and analyzed. The analytical model of the proposed channel improvement method is developed and evaluated using MATLAB software. Besides, an example network scenario is developed, modeled and simulated by using OPNET Modeler simulation software in order to verify the analytical throughput results. In this study, a network model that consists of two groups of users, namely primary users and CR users, which coexist in the same communication area, is considered. Primary users are licensed users and access the channel at any time owing to their legal right to access to the channel. CR users are non-licensed users and can only access to the channel when it is not occupied by the primary users. In the developed network model, while primary users access the channel utilizing TDMA as a Medium Access Control (MAC) technique, CR users can access the channel by exploiting Slotted Aloha as a random access scheme when it is idle. In network models developed, AWGN and Rayleigh channels are considered. The throughput of both CR network and the overall network in AWGN and Rayleigh channels are investigated. Taking capture effect into account in Rayleigh fading channels, the overall network throughput is highly increased when compared to AWGN channels.

1

GİRİŞ

Son yıllarda, kablosuz cihazların ve servislerin artmasıyla birlikte kablosuz haberleşme sistemlerinin ve kablosuz ağların kullanımı da hızla artmaktadır. Kablosuz kullanıcı sayısının hızla artması ile spektrum paylaşım tekniklerinin statik yapısı ve tahsis edilen spektrumun belli zaman ve konumlarda çok az kullanılmasından dolayı spektrum yetersizliği (spectrum scarcity) problemi gün yüzüne çıkmıştır. BR, spektrumun daha dinamik ve efektif kullanılmasını sağlayarak, spektrum kullanma oranını geliştirmeyi hedefleyen yeni bir kablosuz haberleşme teknolojisidir [1-3].

BR sistemlerinde, BR kullanıcıların diğer bir adı da ikincil kullanıcılardır. BR temel olarak, BR kullanıcılarının (CR users) spektrumun kullanılmadığı durumlarda (spektrum boşluğu - spectrum hole) lisanslı kullanıcılara girişim oluşturmadan spektrumu geçici olarak kullanmalarıdır. BR ağlarda, BR kullanıcılar birincil kullanıcılarla aynı haberleşme alanında birlikte bulunurlar. BR kullanıcıları bütün spektrumun kullanılmayan kısımlarından etkili bir şekilde yararlanmak için çeşitli sinyal dinleme ve sezme algoritmaları kullanarak spektrum boşluklarını tespit ederler. Bu sinyal sezme ve dinleme algoritmaları arasında, herhangi bir ön bilgiye ihtiyaç duymadan birincil sinyal sezimine (primary signal sensing) dayanan enerji sezme (energy detection) yöntemi yaygın olarak kullanılmaktadır [4-6].

Bu çalışmada, Slotted Aloha tabanlı rasgele erişim tekniği kullanan BR ağı önerilerek hem AWGN kanalda hem de Rayleigh tipi sönümlemeli kanalda (Rayleigh fading channel) karşılaştırmalı olarak iş çıkarma başarımları (throughput) incelenmiştir. Önerilen ağ, birincil ve BR kullanıcılar olmak üzere iki farklı kullanıcı grubundan oluşmaktadır. Bu kullanıcılar zaman dilimi tabanlı (time slotted based) ortak bir haberleşme kanalını paylaşırlar.

Birincil kullanıcılar ortam erişim tekniği olarak TDMA kullanmaktadırlar ve kanal erişimi için BR kullanıcılara göre öncelikleri vardır. BR kullanıcılar rasgele erişim tekniklerinden Slotted Aloha’yı kullanmaktadırlar. Bunun yanında, kanala sadece

2

birincil kullanıcılar tarafından kullanmadığı zamanlarda erişebilirler. Yapılan çalışmada, hem BR ağın, hem de toplam ağın iş çıkarma başarımları yeni denklemler elde edilerek hesaplanmıştır. Kanal kullanım oranı (channel utilization) değerlendirilirken, doğru sezme olasılığı (Pd) ve yanlış alarm olasılığı (Pfa) olarak

tanımlanan temel iki spektrum sezme başarım metriği göz önüne alınmıştır. Bununla birlikte, analitik iş çıkarma başarımı sonuçlarını doğrulamak için MATLAB ve OPNET kullanılarak örnek bir ağ senaryosu geliştirilmiş, modellenmiş ve benzetimi yapılmıştır. Gerçekleştirilen çalışmada, spektrum boşluklarından faydalanılarak toplam kanal kullanım oranının önemli bir şekilde artırılabileceği görülmüştür. Tezin birinci bölümünde, kablosuz haberleşme sistemleri (wireless communication systems) ve kablosuz ağlar (wireless networks) konusunda temel bilgilere yer verilmiştir. Öncelikle, giriş kısmında kablosuz haberleşme sistemlerinin ve kablosuz ağların gelişimi kısaca anlatılmıştır. Daha sonra sırasıyla kablosuz ağlarda hizmet çeşitleri, kablosuz ağların hizmet gereksinimleri ve kablosuz ağların konuları üzerinde durulmuştur. Birinci bölümün son kısmında ise, yapılan çalışmanın literatürdeki yeri ve diğer çalışmalardan üstün olan yönleri hakkında bilgiler verilmiştir.

İkinci bölümde, kablosuz haberleşme ağlarında yaygın olarak kullanılan OEK tekniklerine yer verilmiştir. Bu teknikler, başlıca tahsis tabanlı erişim teknikleri ve çekişme tabanlı erişim teknikleri olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Frekans Bölmeli Çoklu Erişim (Frequency Division Multiple Access - FDMA), TDMA ve Kod Bölmeli Çoklu Erişim (Code Division Multiple Access - CDMA) en temel tahsis tabanlı erişim tekniklerindendir. Çekişme tabanlı erişim tekniklerinin en çok kullanılanları ise Aloha, Slotted Aloha ve Taşıyıcı Sezen Çoklu Erişim (Carrier Sense Multiple Access - CSMA) ortam erişim teknikleridir.

Üçüncü bölümde, BR ağları hakkında temel bilgilere yer verilmiştir. BR ağlarına duyulan ihtiyaç, BR ağların ortaya çıkışı ve yaygın olarak kullanılmaya başlanması detaylı olarak anlatılmıştır. BR ilk ortaya çıktığında özellikle Kablosuz Bölgesel Alan Ağları’na (Wireless Regional Area Network - WRAN) uygulandığı için, WRAN sisteminin BR ağları ile birlikte kullanımı da anlatılmıştır. BR sistemleri son zamanlarda ortam erişim kontrol teknikleri ile sıklıkla kullanıldığından dolayı bu

3

alandaki uygulamalara da yer verilmiştir. Bu bölümün alt başlıklarında ise, AWGN kanalda ve Rayleigh kanalda spektrum sezme anlatılmıştır. Ayrıca, Rayleigh kanal modeli ve Rayleigh kanalda yakalama etkisi de bu bölümün son kısımlarında ele alınmıştır.

Dördüncü bölümde, önerilen kanal kullanım iyileştirme yönteminin tasarımı anlatılmıştır. Analitik modeli ve benzetim modeli ayrı olarak iki başlık altında ele alınmıştır. İlk olarak, birincil ağın analitik modeli anlatılarak denklemleri elde edilmiştir. Daha sonra, BR ağın analitik modeli hesaplanırken hem AWGN kanal hem de Rayleigh kanal kullanıldığı için ilgili denklemler ayrı olarak elde edilmiştir. Bu bölümün son kısmında ise önerilen OEK protokolünün OPNET Modeler yazılımı ile benzetim modelinin tasarımı anlatılmıştır.

Tasarlanan kanal kullanım iyileştirme yönteminin örnek bir ağda uygulanması ve başarım değerlendirmesi beşinci bölümde anlatılmaktadır. Öncelikle, örnek ağ uygulamasının benzetim parametreleri tablo halinde verilmiştir. Daha sonra, ağ yapısı bir şekil ile resmedilmektedir. Sonraki başlıklarda ise, birincil ağın, BR ağın ve toplam ağın başarım değerlendirmeleri yapılmıştır. Ağın toplam başarım değerlendirmesi yapılırken hem AWGN etkisi hem de Rayleigh kanalda yakalama etkisi göz önünde bulundurulmuştur.

Son bölümde ise elde edilen sonuçlar yorumlanmıştır. Bu çalışmanın sonucunda, birincil kullanıcılara hiçbir girişimde bulunulmadan spektrum boşluklarından en iyi şekilde yararlanılarak ağın toplam iş çıkarma başarımının önemli ölçüde artırıldığı görülmüştür. Ayrıca, birincil ve BR ağlar için farklı ortalama ağ yükleri varsayıldığında toplam ağ iş çıkarma başarımının biraz daha artırıldığı açıkça ifade edilmiştir.

Tez çalışmasının katkıları aşağıda maddeler halinde sıralanmıştır:

 BR kullanıcılar için yeni bir kanal kullanım iyileştirme yöntemi analitik modelinin geliştirilmesi ve MATLAB yazılımı kullanılarak başarım ölçütlerinin elde edilmesi.

 BR kullanıcılar için yeni bir kanal kullanım iyileştirme yöntemi benzetim modelinin, OPNET Modeler yazılımı kullanılarak başarım ölçütlerinin elde edilmesi.

4

 Analitik ve benzetim modelden elde edilen sonuçların karşılaştırılarak, gerçekleştirilen kanal kullanım iyileştirme yönteminin geçerliliği ve güvenilirliği doğrulanmıştır.

 Rayleigh kanal modeli ile yakalama etkisi göz önünde bulundurularak, Slotted Aloha rasgele erişim tekniğinin iş çıkarma oranının arttırılması.

5

1. KABLOSUZ HABERLEŞME SİSTEMLERİ, KABLOSUZ AĞLAR VE YAPILAN ÇALIŞMANIN LİTERATÜRDEKİ YERİ

1.1. Giriş

Bu bölümde, kablosuz haberleşme sistemlerinin tarihi gelişimi, kablosuz ağlarda hizmet çeşitleri ve kablosuz ağların hizmet gereksinimleri konuları sunulacaktır. Ayrıca, tezde yapılan çalışmaya benzer konudaki çalışmalar hakkında bilgiler verilip benzerlikleri ve farklılıkları vurgulanacaktır.

Tarih boyunca toplumların yaşamını etkileyen en önemli etkenlerden biri buluşlar olmuştur. Ateşin bulunması, tekerleğin icadı, buhar gücünün kullanılmaya başlanması, elektriğin keşfi ve daha birçok buluş örnek olarak sıralanabilir. Bilim tarihi araştırıldığında, çok sayıda icadın insanlık yaşamında önemli etkiler bıraktığı görülmektedir. Diğer bir taraftan, tarihin her döneminde insanların haberleşmeye ihtiyaç duydukları ve farklı şekillerde iletişimde bulundukları gözlenmektedir. İletişim, toplumların gelişimi ve ilerlemesi için çok büyük öneme sahiptir. Özellikle 1990’lı yılların başından itibaren, iletişim teknolojileri hayatın her alanına girmiştir [7-10].

İletişim teknolojileri bilgiye erişimi ve bilginin yaygın olarak paylaşımını amaçlar. Günümüzde en etkili iletişim araçlarından biri olan kablosuz haberleşme sistemlerinin, sağlık, ticaret, ulaşım, eğitim v.b. birçok alanda kullanılması vazgeçilmez bir duruma gelmiştir [3, 5].

Kablosuz haberleşme, özellikle çok büyük ölçekli olmayan alanlarda kablolu haberleşmenin ortaya çıkardığı sorunları en aza indirmek için elektromanyetik dalgalar aracılığıyla verileri ileten bir haberleşme sistemidir [4, 8]. Kablosuz haberleşme sistemi herhangi bir kablo bağlantısına ihtiyaç duymadığı için, kullanıcılar hareket halinde olduklarında da haberleşme olanağına sahiptirler. Kablosuz bağlantı, esnekliği ve gücünden dolayı birçok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır [2, 9].

6

Haberleşme sistemi olarak kullanılan ilk teknik araç 1837 yılında Samuel Mors tarafından icat edilen telgraf olmuştur. Telgrafın keşfi ve yaygın olarak kullanılmaya başlanması 19. yüzyılın ortalarında çağdaş haberleşme sistemlerinin temelini oluşturmuştur. 1970 ve 1980’li yıllara gelindiğinde ise, haberleşme alanında dünyada çok büyük gelişmeler yaşanmıştır. Bunlardan en önemlisi Frekans Modülasyonu (Frequency Modulation - FM) teknolojisi kullanılarak analog hücresel haberleşme yöntemlerinin geliştirilmesi olmuştur [2-4].

FM teknolojisi, kablosuz haberleşme sistemlerinin başlangıcı olarak görülmekte ve birçok yerde birinci nesil teknoloji olarak nitelendirilmektedir. 1990’lı yılların sonlarına doğru ise, ikinci nesil Kişisel Haberleşme Hizmetleri (Personal Communication Services - PCS) ortaya çıkmıştır. PCS temel olarak, kullanıcı hareketliliği ve servis yönetimi sağlayan kablosuz haberleşme teknolojisidir. Diğer bir ifadeyle PCS, çağrı sistemine benzer bir yapıya sahip dijital teknolojiden yararlanan kablosuz veri haberleşme sistemidir [9, 11].

Üçüncü nesil kablosuz haberleşme teknolojilerinin en büyük uygulama alanı mobil telefonlar ve çeşitli kablosuz veri aktarım cihazlarıdır. Mobil cihazların internet erişimi için kullanılan Kablosuz Uygulama Protokolü (Wireless Application Protocol - WAP) ve Genel Paket Radyo Servisi (General Packet Radio Service - GPRS) en yaygın kablosuz haberleşme teknolojilerindendir. Kızılötesi (Infrared - IR) ve Bluetooth teknolojileri de kablosuz cihazlar arasında haberleşme için kullanılan yaygın teknolojilerdendir [5, 8].

1.2. Kablosuz Ağlarda Haberleşme Yöntemleri

Kablosuz ağlarda haberleşmenin temelini oluşturan hizmet çeşitlerinden en önemli olanları, yayın radyo (broadcast radio), çağrı sistemi (paging) ve hücresel telefon (cellular telephony) olarak sıralanabilir [7].

Kablosuz hizmetlerin ilki radyo yayınıdır. Bu uygulamada, bilgi genellikle belli alandaki kullanıcılara gönderilmektedir. Radyo yayınını üç önemli özelliği ile tanımlayabiliriz. Bunlardan ilki bilginin sadece bir kanal üzerinden tek yönde gönderilmesidir. Bilgiyi, sadece bir yönde, radyo ya da televizyon gibi alıcılara ileten sistemler yayın istasyonlarıdır. Bu sistemlerde, alıcı yayın istasyonuna herhangi bir

7

geri beslemede (feedback) bulunmaz. İkinci önemli nokta, gönderilen bilginin tüm kullanıcılar için aynı olması ve bilginin sürekli olarak gönderilmesidir. Birçok coğrafi bölgede vericiler aynı bilgiyi farklı alanlarda yayın yaparak kapsama alanını arttırırlar. Bu sayede, yayın ağları büyük bir alanı kapsamış olur ve bilginin daha geniş bir alana yayılması sağlanır [1, 10].

Şekil 1.1’de, yayın iletimine örnek bir durum resmedilmiştir. Bu şekilde, bir vericinin çeşitli kullanıcılara yayın sağladığı görülmektedir.

Şekil 1.1. Yayın iletiminin temel yapısı

Kablosuz hizmetlerin ikincisi olan çağrı sistemi de radyo yayını gibi tek yönlü kablosuz haberleşme sistemidir. Çalışma yapısı şu şekilde özetlenebilir; kullanıcı sadece bilgi alabilir hiçbir gönderimde bulunamaz. Diğer bir ifadeyle, çağrıyı sadece çağrı merkezi başlatabilir. Bilgi sadece bir kullanıcıya gönderilir ve o kullanıcı tarafından alınır. Ayrıca, gönderilen bilgi miktarı çok küçüktür. Haberleşmenin tek yönlü olmasından ve bilgi miktarının küçük olmasından dolayı bu servis için gereken bant genişliği çok düşüktür [6].

Kablosuz hizmetlerin üçüncüsü olan hücresel haberleşme, kablosuz haberleşmenin en düşük maliyetli biçimidir. Bilgi akışı çift yönlü olduğundan dolayı, kullanıcı bilgiyi aynı anda hem gönderme hem de alma şansına sahiptir. Hücresel haberleşme sistemi, aynı frekansın belirli alanlar içinde konuşma kanalı olarak birden fazla sayıda kullanılması ilkesine göre çalışır [1]. Tekrar kullanılan frekansların birbirleriyle olan etkileşiminin önlenmesi, aynı frekansın kullanıldığı alanların birbirlerinden yeteri kadar uzakta olmasıyla sağlanır. Hareketli telefon santrali, ana istasyonlar, radyo kanalları ve abonelerin kullandığı hareketli radyo telefonlar bu

8

yapıda kullanılan başlıca dört bileşendir. Sabit telefon santrali bu yapının merkezidir. Bu santralin sorumlu olacağı alan ise trafik alanı olarak tanımlanır ve hücrelere bölünmüş bir yapıya sahiptir. Tüm trafik alanlarının bileşimi ise hücresel haberleşme ağını oluşturur [4, 8].

1.3. Kablosuz Ağlar için Kritik Öneme Sahip Gereksinimler

Kablosuz haberleşme sistemlerinin tasarımında bilinmesi gereken en önemli konu farklı uygulamaların farklı gereksinimleri olduğudur. Veri hızı (data rate), kapsama alanı (range), hareketlilik (mobility), enerji tüketimi (energy consumption), vb. bu gereksinimlerin öne çıkanlarıdır [3, 4].

Kablosuz servisler için veri hızı, sayısal olarak saniyede iletilen bit sayısı olarak ifade edilir ve uygulamaya bağlı olarak değişiklik gösterebilmektedir. Bazı uygulama ağları için örnekler şu şekilde sıralanabilir. Algılayıcı ağlar (Sensor networks) genellikle saniyede 1000 bit veri hızına ihtiyaç duyarlar. Konuşma haberleşmesi (Speech communications) sistemleri ortalama olarak saniyede 5000 ile 64000 arasında veri hızına ihtiyaç duyarlar. Hücresel sistemler için kaynak veri hızının saniyede 10000 bit olması standartlara uymaktadır [10].

Hareketlilik, kapsama alanı ve kullanıcı sayısı kablosuz sistemler için çok büyük öneme sahiptir. Kablosuz kullanıcının hareketliliği doğrudan doğruya kapsama alanı ile ilişkilidir. Kapsama alanı ya da haberleştiği vericiye olan uzaklık, kullanıcının iletişimini sürdürebilmesi açısından kritik öneme sahiptir. Ayrıca, kullanıcı sayısı açısından gereksinimler göz önüne alındığında, bu sayı da servis sağlayıcısının kullanıcı sayısı limiti ile sınırlıdır [2].

Ağ ortamının etkin kullanımı ve enerji tüketiminin en aza indirilmesi, kablosuz haberleşme alanında büyük öneme sahiptir. Bu duruma örnek olarak, Kablosuz Algılayıcı Ağlar’ın (Wireless Sensor Network - WSN) bazen yüzlerce hatta binlerce algılayıcı düğümünden oluşmaları ve bu düğümlerin çoğu zaman önemli ölçüde kısıtlı kaynaklara sahip olmaları verilebilir. Bu kaynaklar için harcanabilecek enerjinin kısıtlı oluşu teknolojik cihazların önündeki en büyük engellerden biridir [3, 7, 10].

9

1.4. Kablosuz Haberleşme Sistemlerinde Sınırlamalar

Bu bölümde esas olarak, kablosuz haberleşme sistemlerinde karşılaşılan teknik zorlukların detaylı anlatımına yer verilecektir. Bu teknik zorluklardan en önemlileri, çok yollu yayılma (multipath propagation) ve spektrumun sınırlı oluşudur (spectrum limitations). Gönderilen bir sinyalin kırılma (refraction), yansıma (reflection), v.b. sebeplerden dolayı alıcıya farklı bir yoldan ulaşması çok yollu yayılma olarak tanımlanabilir [7].

1.4.1. Çok yollu yayılma

Kablosuz haberleşme için iletim ortamı, alıcı ve verici arasındaki radyo kanalıdır. Sinyal, vericiden alıcıya ulaşana kadar çok değişik yollar izleyebilir. Örneğin, verici ve alıcı arasında doğrudan bir görüş alanı mevcut olduğunda direk olarak iletim yapılırken, ortamda çevre yapısından dolayı fiziksel engeller olduğunda kırılarak ya da yansıyarak iletim yapılabilir [5].

Zayıflama (attenuation), bir sinyalin iletim ortamında yayılırken gücünün azalması olarak tanımlanır. İletim mesafesi arttıkça ve frekans yükseldikçe sinyalin maruz kaldığı zayıflama miktarı artmaktadır. İletim ortamı olarak hava düşünülecek olursa yağmur ve kar yağışları zayıflamayı arttıran en önemli etkenlerdendir. Alıcı tarafından alınan sinyalin Sinyal Gürültü Oranı (Signal to Noise Ratio - SNR) belirli bir seviyenin üzerinde olmalıdır. Aksi takdirde, sağlıklı bir iletimin gerçekleştirilmesi oldukça zor olur. SNR değeri, gereken değerin üzerinde olursa sinyalin taşıdığı mesaj doğru bir şekilde alıcıya ulaştırılmış olur. Diğer durumda, zayıflama sonucunda sinyalin taşıdığı mesaj anlaşılırlığını yitirebilir [7-9].

Alıcı ile vericinin haberleşmesi sırasında iletim kanalına eklenen istenmeyen sinyallere gürültü (noise) denir. Gürültü, haberleşme sisteminin performansını kısıtlayan en önemli etkenlerden biridir. Isıl gürültü (thermal noise), ara modülasyon gürültüsü (inter modulation noise), çapraz girişim (crosstalk) ve dürtü gürültüsü (impulse noise) olmak üzere dört çeşit gürültüden bahsetmek mümkündür [6].

Çok yolluluk, bir sinyalin birden fazla yol üzerinden alıcıya farklı gecikmelerle ulaşması olarak tanımlanmaktadır. Bu durum sonucunda, alıcıya gelen toplam

10

sinyalin gücünde azalma ya da artma görülebilir. Çok yolluluğa sebep olan olayları yansıma, kırılma, kırınım (diffraction) ve saçılma (scattering) olmak üzere dört ayrı başlıkta toplayabiliriz [9].

Şekil 1.2. Saçılma ve kırılma

Yansıma, elektromanyetik bir sinyalin kendi dalga boyundan büyük boyutlarda ve içine giremeyeceği bir yüzeye çarptığı zaman yön değiştirmesi olarak tanımlanmaktadır. Kırılma ise, elektromanyetik bir sinyalin ortamda yayılırken farklı yoğunluktaki bir ortama geçmesi durumunda yayılma hızının değişmesi sebebiyle yönünü değiştirerek yayılmaya devam etmesi olayıdır. Diğer yandan kırınım, elektromanyetik bir sinyalin kendi dalga boyundan daha büyük boyutlarda ve içine giremeyeceği bir nesnenin köşesinden ya da bu nesnenin çok küçük çaplı bir aralığından geçtikten sonra yön değiştirerek yoluna devam etmesi olarak ifade edilmektedir. Elektromanyetik bir sinyalin dalga boyu civarında ya da dalga boyundan daha küçük boyutlarda ve içine giremeyeceği bir nesneye çarpması sonucunda, daha zayıf elektromanyetik dalgalar halinde her yöne doğru yayılması ise saçılma olarak tanımlanır [10].

Şekil 1.3. Yansıma ve kırınım

Saçılma Kırılma

11

Analog haberleşmede, alıcı girişine gelen sinyal kopyaları aynı yönde olduklarında birbirlerine eklenerek sinyalin gücünü artırırlar, ters yönde olduklarında ise sinyalin gücünü azaltırlar. Bu durum sonucunda alınan sinyal gücünün zaman içinde değişmesi olayı sönümlenme (fading) olarak ifade edilir [4].

1.4.2. Spektrum yetersizliği

Kablosuz haberleşmenin sınırlamalarından biri de spektrumun sınırlı olmasıdır (spectrum limitations). Kablosuz haberleşme sistemleri için kullanılan spektrumun bir aralığı vardır ve bu aralık uluslararası anlaşmalarla belirlenmiştir. Bu sebeple, spektrumun çok verimli bir şekilde kullanılması gerekmektedir. Bunun için kararlı (regulated) ve kararsız (unregulated) spektrum kullanımı olmak üzere iki farklı yaklaşım önerilmektedir. Kararlı spektrum kullanımında, tek bir ağ işletmeni (network operator) spektrum kullanımını kontrol etmektedir. Diğer yaklaşımda ise, kullanıcı belirli yayılım gücü ve bant genişliği (bandwidth) kısıtlamalarına uyduğu sürece herhangi bir ek kontrol olmadan iletim yapabilir [5, 7, 8].

Spektrum kısıtlı bir kaynak olduğundan dolayı, aynı spektrum farklı yerlerde farklı kablosuz bağlantılar için kullanılabilir olmalıdır. Örneğin, farklı bağlantıların farklı frekans kanallarıyla ayrıldığı bir hücresel sistem göz önüne alındığında, eğer bu alana sadece bir tane baz istasyonu hizmet verirse, spektrum K sayıda frekans kanalına bölünür ve K kullanıcı bu baz istasyonundan hizmet almış olur. K sayıdan daha fazla kullanıcıya hizmet sunulmak istenirse, çoklu baz istasyonu sistemine ve frekans bantlarının tekrarlı kullanımına ihtiyaç duyulur [2, 3, 6].

Ağ işletmeni kullandığı spektrum için lisans aldığından dolayı, bu spektrumu kendi planlarına göre istediği şekilde kullanma hakkına sahiptir. Diğer bir deyişle ağ planlaması, farklı hücrelerdeki kullanıcılar arasında kritik bir durum oluşacak şekilde girişim olmayacağını garanti eder. Ağ işletmenine istediği miktarda iletim gücü kullanması konusunda izin verilmiştir. Bununla birlikte, ağ işletmeninin kullanıcıların yayılım güçleri için sınır belirleme yetkisi de bulunmaktadır. İşletmenin diğer bir sorumluluğu da, meydana gelebilecek olası girişimlerin sadece kendi ağında ve bu ağ içerisindeki kullanıcılar arasında olacağını garanti etmektir [4, 7, 8].

12

Spektrumun belirli bir ağ operatörüne değil de sadece bir servise atandığı durumlar da söz konusudur. Bu durumda, alıcılar yapısı bilinen güçlü bir girişim ile mücadele etmek zorundadırlar. Bu yüzden, bu tür sistemlerde dinamik frekans atamasına benzer yaklaşımlar kullanılmaktadır. Dinamik frekans ataması da göndericinin spektrumu dinleyerek boş kısımlarını tespit ettiği ve frekansını ona göre ayarlayarak iletim yaptığı BR uygulamasının özel bir şekli olarak görülebilir [8].

1.5. Bilişsel Radyo Ağlarda Ortam Erişim Tekniklerinin Kullanımı

Son yıllarda, BR ve spektrum erişimi ile ilgili çok sayıda araştırma yapılmıştır. Bunun yanında, sönümlemeli ve sönümlemeli olmayan ortamlarda birincil kullanıcıların spektrum boşluklarından yararlanılmasını sağlayan bir kaç BR OEK protokolü de önerilmiştir [12]. Ayrıca, Aloha, Slotted Aloha ve CSMA gibi çekişme tabanlı erişim teknikleri spektrum boşluklarından yararlanmak amacıyla BR ağlarına uygulanmaktadır. Bu ağlarda, ağ başarımı değerlendirilirken çoğunlukla sönümlemeli olmayan ortamlar göz önüne alınmaktadır. Fakat sönümlemeli olmayan ortamlar gerçek hayatta karşılaşabileceğimiz sonuçları vermemektedirler. Bu yüzden, daha gerçekçi sonuçlar elde etmek için, ağ başarımı değerlendirilirken sönümlemeli kanallarda yakalama etkisi de hesaba katılmalıdır.

Yeni bir Slotted Aloha tabanlı dağıtılmış erişimli (distributed access) BR ağı [12]’de ele alınmıştır. Bu çalışmada, BR kullanıcılar ortamı dinlemek için rasgele kanal kümeleri seçerler, boşta olan bir küme tespit ederler ve tespit edilen bu boşlukta iletim işlemini gerçekleştirirler. Öncelikle, BR kullanıcılar tarafından dinlenecek kanal sayısı için bir sınır belirlenir. Kanal sayısının rasgele bir değişken olduğu durumda analitik ortalama sistem iş çıkarma başarımı elde edilir. Buna bağlı olarak da, ortalama sistem iş çıkarma başarımı ve dinlenen kanal sayısı arasında bir ilişki elde edilir. Daha sonra, sistem iş çıkarma başarımını daha iyi bir duruma getirmek için en iyileme denklemleri hesaplanmıştır. Elde edilen analitik sonuçlar da bazı önemli benzetim modelleri ile doğrulanmıştır. Bu çalışmada, iş çıkarma analizleri yapılırken hiçbir sönümlemeli kanal göz önüne alınmamıştır ve bu nedenle sönümlemeli ortamlardaki paket yakalama etkisi göz ardı edilmiştir.

Slotted Aloha tabanlı çoklu kanal (multi-channel) BR ağı [13]’de önerilmiştir. Yapılan bu çalışmada, spektrumu kullanmayan cihazların spektrumlarından

13

yaralanılmıştır. Bu çalışmada BR kullanıcılarının gecikme analizi (delay analyze) ile iş çıkarma başarımı sunulmuştur. İş çıkarma başarım analizi yapılırken Rayleigh tipi sönümlemeli kanallarda paket yakalama etkisi de göz önüne alınmıştır. Bu çalışmayı gerçekleştirilen tez çalışmasından ayrıştıran fark, ağın iş çıkarma başarımını hesaplarken spektrum sezme zamanını (spectrum sensing time) göz ardı etmesidir. BR ağlar için yeni bir CSMA OEK protokolü [14]’de sunulmuştur. Bu çalışmada, birincil kullanıcılar çok yaygın olarak kullanılan taşıyıcı dinleme protokollerini kullanmaktadırlar. Bunun yanında, BR kullanıcılar CSMA tabanlı yeni bir OEK protokolü kullanmaktadırlar. Ayrıca, geleneksel BR sistemlerden farklı yapıda bir iletim sistemi geliştirilmiştir. Geliştirilen bu sistemin gecikme analizleri de hesaplanmıştır. Önerilen CSMA tabanlı OEK protokolünün iş çıkarma analizi de yapılmıştır. BR ağların iş çıkarma başarımını artırmak amacıyla her bir BR kullanıcı için geliştirilen iletim yöntemi sunulmuştur. Yapılan çalışmanın sayısal sonuçları incelendiğinde, BR ağların iş çıkarma başarımı geleneksel CSMA ve BR sistemleri ile karşılaştırıldığında önemli ölçüde artırılmıştır. Fakat yapılan bu çalışmada, sönümlemeli kanal ve bu kanaldaki yakalama etkisi göz önünde bulundurulmamıştır. [15]’de, birincil ve BR ağlar için OEK protokolü tasarımları incelenmiştir. Bu çalışmada, birincil kullanıcıların Slotted Aloha tekniğini kullanıldığı durumda, BR kullanıcılar Slotted Aloha ve CSMA teknikleri sayesinde birincil kullanıcıların boş zaman dilimlerinden faydalanırlar. Diğer durumda ise, birincil kullanıcılar tarafından TDMA ve BR kullanıcılar tarafından Slotted Aloha ile CSMA teknikleri birlikte kullanılmıştır. Ayrıca, birincil ve BR ağlar için ortalama gecikme ve iş çıkarma başarımları sunulmuştur. Elde edilen tüm sonuçlar, benzetim sonuçları ile doğrulanmıştır. OEK protokolleri için yeni bir sınıflandırma tanımı da bu tezde yer almaktadır. Bu çalışmada elde edilen BR iş çıkarma başarımı hesaplamalarında BR kullanıcıların ortamı dinlemek için kullandığı spektrum sezme zamanı göz önüne alınmamıştır.

Çoklu kanal BR ağları için Slotted Aloha tabanlı yeni bir OEK protokolü [16]’da sunulmuştur. Önerilen protokolün iş çıkarma analizi yapılmıştır. Bunun yanında, boş kanal seçimi tabanlı (idle channel selection based) BR OEK protokollerinin rasgele kanal seçimi tabanlı (random channel selection based) BR OEK protokollerinden

14

daha üstün olduğu doğrulanmıştır. Ayrıca, Slotted Aloha tekniğinin BR ağlarda Aloha tekniğinden daha iyi sonuçlar verdiği vurgulanmıştır. Ek olarak, Rayleigh tipi sönümlemeli kanalda yakalama etkisi kullanılarak önerilen BR sistemin iş çıkarma başarımındaki artışın analizi de yapılmıştır. Bununla birlikte, BR ağı iş çıkarma denklemleri türetilirken, BR kullanıcıların spektrum sezme için harcadığı zaman dikkate alınmamıştır.

15

2. KABLOSUZ HABERLEŞME SİSTEMLERİNDE ÇOKLU ERİŞİM TEKNİKLERİ

2.1. Giriş

Çoklu erişim teknikleri, sınırlı olan bant genişliğini aynı anda birçok kullanıcının erişimine sunarak spektrumun etkili bir şekilde kullanılmasını sağlar. Kablosuz haberleşme için kullanılabilecek spektrum sınırlı olduğu için, spektrumun etkili bir şekilde paylaştırılması gerekmektedir. Sınırlı bant genişliğinden etkin olarak yararlanmak için kullanılan kablosuz OEK teknikleri, tahsis tabanlı (reservation based) erişim ve çekişme tabanlı (contention based) erişim olmak üzere ikiye ayrılmaktadır [1, 5].

Şekil 2.1. Kablosuz ortam erişim teknikleri

2.2. Tahsis Tabanlı Çoklu Erişim Teknikleri

Tahsis tabanlı çoklu erişim tekniklerinin en büyük avantajı bant genişliğinin kullanıcılara belirli yöntemlerle tahsis edilmesidir ki bu da çarpışmayı engellemektedir. Tahsis tabanlı çoklu erişim teknikleri FDMA, TDMA ve CDMA olmak üzere üç farklı başlık altında incelenebilir [2, 4].

Çoklu Erişim Teknikleri Tahsis Tabanlı Erişim Çekişme Tabanlı Erişim

16

2.2.1. FDMA

Bir ortamda, genel olarak gönderilen sinyalin bant genişliği iletim ortamının bant genişliğinden daha küçüktür. Bu sebeple, bir iletim ortamını tek bir sinyalin gönderilmesi için tahsis etmek fayda sağlayan bir durum değildir. Aynı frekans bandında bulunan birçok sinyalin, tek bir iletim ortamından gönderilmesi için bu sinyallerin frekans bandındaki yerlerini değiştirmek gerekmektedir. Böylece, frekans bandında farklı yerler işgal eden sinyaller zaman bölgesinde toplanarak tek bir iletim ortamı üzerinden alıcıya gönderilir. Alıcıya ulaşan sinyaller filtre yardımıyla birbirlerinden ayrıldıktan sonra ilk olarak yer aldıkları frekans bantlarına geri döndürülürler. Böylece, gönderilen sinyaller tekrar elde edilmiş olur [7, 10, 17].

Şekil 2.2. Farklı kanalların farklı frekans bantlarına atanması

Sinyallerin frekans bölgesinde farklı bölgelere kaydırılması işlemi modülasyon (modulation) olarak adlandırılmaktadır. Modülasyon işlemi sayesinde sinyallerin hem bantları değiştirilmekte hem de sinyaller iletime uygun bir şekle dönüştürülmektedir [3, 6, 18]. . .

Kanal 1

Kanal 2

Kanal 3

Kanal N

17

Frekans Bölmeli Çoklama (Frequency Division Multiplexing - FDM) tekniği başlı başına analog bir çoğullama tekniğidir. FDM sisteme giren bilgi analog bir bilgidir ve iletim boyunca da analog olarak kalmaktadır. FDM yapısının temelini kanal oluşturmaktadır [5].

FDM tekniğinde, belirli bir ortamdaki toplam bant genişliği birbiriyle çakışmayan frekans bantlarına bölünmektedir. Ayrıca, bölünen her bir frekans bandında ayrı sinyaller taşınmaktadır. Bu şekilde, kablo ya da optik fiber (optical fiber) gibi iletim ortamları aynı anda birçok sinyal tarafından kullanılabilmektedir. FDM sistemi için en bilinen örnek, birçok televizyon kanalının tek bir kablo üzerinden eş zamanlı olarak iletildiği kablolu televizyon (cable television) yapısıdır [9].

Bir FDMA sisteminde eş zamanlı (simultaneous) olarak desteklenen kanal sayısı aşağıdaki ifade yardımıyla elde edilmektedir [1, 10].

t g

c B - 2 B KS =

B (2.1)

Bu denklemde, Bt toplam spektrum tahsisini, Bg tahsis edilen spektrum içindeki

koruma bandını ve Bc de kanal bant genişliğini göstermektedir. 2.2.2. TDMA

TDMA sistemler, radyo spektrumunu zaman dilimlerine bölerler ve her bir zaman diliminde sadece bir kullanıcı alma ya da gönderme işlemi yapabilir. Bu sistem belirli bir zaman bölgesine genişletilirse, birbirinden bağımsız pek çok kullanıcı aynı ortam üzerinden fakat farklı zaman dilimlerinde iletim işlemlerini gerçekleştirirler [10, 11].

TDMA yapısında, her kaynak sırasıyla örneklenerek zaman bölgesinde seri veriler elde edilir. Örnekleme frekansı, en hızlı değişen kaynağın frekansına ve örnekleme teoremine uygun olarak seçilir. Eğer bilgi kaynaklarının hepsi de benzer özellikleri taşıyor ise, aynı örnekleme frekansı kullanılır. Eğer ortamda farklı özellikte kaynaklar mevcut ise bu kaynaklar kendi benzerleri ile bir araya getirilirler. Veri hızı doğrudan doğruya iletim ortamının bant genişliğine bağlıdır. İletim ortamının bant genişliği çok fazla ise, çok yüksek veri hızlarına ulaşmak mümkündür. Bu durum,

18

aynı iletim ortamından çok daha fazla kaynağın iletim yapabilmesi anlamına gelmektedir. Bant genişliği düşük olan iletim ortamlarında ise daha düşük veri hızlarında iletim yapılabilmektedir [3, 8].

Şekil 2.3. Her kullanıcının bir zaman dilimini kullandığı TDMA yapısı

Zaman Bölmeli Çoklama (Time Division Multiplexing - TDM) tekniğinin FDM tekniğine bazı üstünlükleri bulunmaktadır. Öncelikle, TDM tekniğinin donanım olarak gerçekleştirilmesi daha basittir. FDM tekniğinde her kanal farklı bant genişliği işgal ettiği için, özellikle alıcı tarafında her kanal için farklı filtreler uygulanmasını gerektirir. TDM sistemlerde ise her kanal için aynı yapı kullanılmaktadır. Diğer bir üstünlüğü ise kanallar arası girişimin düşük olmasıdır. FDM sistemlerin yapısından dolayı sinyal bozulmaları meydana gelebilmektedir ki bu da kanallar arası girişime sebep olmaktadır. TDM sistemlerde ise bu şekilde bir durum söz konusu değildir [1, 10, 11]. Bununla birlikte, iletim ortamı bant genişliğinin yeterli olmadığı durumlarda TDM kanallarda da girişim meydana gelebilmektedir [7, 8].

TDMA sisteminde en yaygın olarak kullanılan modülasyon türü Darbe Kod Modülasyonudur (Pulse Code Modulation - PCM). PCM, analog kaynak sinyalinin sayısal sinyale dönüştürülmesinde kullanılan bir yöntemdir. Bu modülasyon örnekleme, kuantalama ve kodlama olmak üzere üç ana işlemden oluşmaktadır [3, 4, 10].

Örnekleme işlemi, analog kaynaktan çok kısa süreli örneklerin düzgün aralıklarla alınmasıdır. Analog işaretten alınan örnek sonsuz sayıda farklı değer alabildiği için

Çerçeve K ul la nı cı 1 K ul la nı cı 2 . . . K ul la nı cı 3 K ul la nı cı N K ul la nı cı 1 . K ul la nı cı 3 . . K ul la nı cı N K ul la nı cı 2 Zaman F re ka ns

19

bu sinyali kodlamak için sonsuz sayıda bit kullanmak gerekir. Bu şekilde bir işlem mümkün olmadığı için, örneklerin alabileceği değer sayısını sınırlamak gerekir ki bu da kuantalama işlemiyle yapılmaktadır. Her bir örnek kuantalama işlemine tabi tutulduktan sonra ikili sayılarla kodlanır. Böylece analog sinyal sayısal sinyale dönüştürülmüş olur. Elde edilen sayısal sinyal seri hale getirilerek iletim ortamı üzerinden alıcıya iletilir. Filtreleme işlemi sonucunda alıcı bu sayısal sinyali kaynak sinyaline dönüşmüş şekilde alır [4, 9].

TDM yönteminde bir kanaldan alınan iki örnek arasındaki zaman aralığı çerçeve (frame) olarak tanımlanır. Çerçeve, bir sistemde kullanılan kanal sayısı kadar zaman dilimine ayrılmaktadır. Örnek olarak, 32 kanal içeren bir çerçeve yapısında ilk 15 kanal 1 - 15, son 15 kanal ise 17 - 31 arası zaman dilimlerine yerleştirilir. 0 ile tanımlanan ilk zaman dilimine 8 bitten oluşan sabit bir sözcük yerleştirilir. Bu sözcük, sinyal alımının ve gönderiminin eş zamanlı bir şekilde yapılmasını sağlar [6, 8, 9].

Bir TDMA sisteminde eş zamanlı olarak elde edilebilecek toplam kanal sayısı aşağıdaki denklem ile ifade edilir [1].





Bu denklemde, m her bir radyo kanalının desteklediği en yüksek kullanıcı sayısını göstermektedir.

2.2.3. CDMA

CDMA sistemlerinde, dar bant (narrowband) mesaj sinyali, çok büyük bant genişliğine sahip olan bir sinyal ile çarpma işlemine tabi tutulur. Çarpma işlemine tabi tutulan bu sinyal, mesaj sinyalinin veri hızından daha hızlı şekilde iletilebilen bir koddan oluşmaktadır. Bu kod sayesinde kullanıcılar eş zamanlı olarak aynı frekans bandını kullanabilirler [5, 8].

Şekil 2.4’te, CDMA sisteminin kanal yapısı görülmektedir. Bu yapıda, FDMA ve TDMA protokollerinden farklı olarak hem zaman hem de frekans ekseni birlikte kullanılmaktadır.

20

Şekil 2.4. CDMA sistemde kanal yapısı

FDMA sistemindeki kullanıcılar, belirli bir bant genişliği ile sınırlıdırlar fakat iletim yapabilecekleri zaman dilimi konusunda herhangi bir kısıtlamaları yoktur. Diğer yandan, TDMA sistemindeki kullanıcılar belirli bir zaman dilimi ile sınırlıdırlar ancak hangi bandı veya frekansı kullanacakları konusunda herhangi bir sınırlamaları yoktur [6]. Bununla birlikte, FDMA ve TDMA tekniklerinden daha üstün olan CDMA sisteminde zaman ya da frekans kullanımı konusunda herhangi bir kısıtlama yoktur [3].

CDMA protokolünde, kullanıcılar istediği zaman herhangi bir bandı ve frekansı kullanarak iletim gerçekleştirebilirler. Kullanıcılar ayrıca, kullanacağı kanala tahsis edilmiş olan bandın tamamını ya da bir kısmını istedikleri gibi kullanma hakkına da sahiptirler. Bunun yanında, CDMA sisteminde her kullanıcının kendine özgü ve dik olması dolayısıyla diğer kullanıcıların kodlarıyla çakışmayan bir kodu vardır. Gönderilecek olan bilginin her bir biti kullanıcı kodu ile çarpılır. 1 göndermek için

Kanal N

.

.

Kanal 3

Kanal 2

.

Kanal 1

.

21

pozitif kod sözcüğü, 0 göndermek için ise negatif kod sözcüğü ile çarpma işlemi yapılır [7].

Elde edilen kod sözcüğü, daha sonra bir taşıyıcı yardımı ile modülasyon işlemine tabi tutularak yüksek frekanslara çıkarılır ve iletim ortamına aktarılır. Alıcı tarafında ise önce aynı taşıyıcı ile modülasyona tabi tutulup eski bandına düşürülür. Sonrasında ise, kod sözcüğü ile gelen verilere kolerasyon (correlation) işlemi uygulanır. Kolerasyonun ilk defa tepe noktası verdiği yerden itibaren eş zamanlılık sağlanmış olur. Bundan sonra alınan tepe değeri pozitif ise bilgi 1, tepe değeri negatif ise bilgi 0 olarak algılanır [10].

2.3. Çekişme Tabanlı Çoklu Erişim Teknikleri

Diğer bir ifadeyle paket radyo (packet radio) erişim teknikleri de denilen çekişme tabanlı erişim tekniklerinde, birçok kullanıcı tek bir kanala eşgüdümsüz (uncoordinated) olarak erişmeye çalışır. Bu tekniklerde çarpışma meydana gelmesi muhtemeldir. Oluşan çarpışmalar Alındı Sinyali (Acknowledgement - ACK) ya da Olumsuz Alındı Sinyali (Negative Acknowledgement - NACK) aracılığı ile baz istasyonu (base station) tarafından tespit edilir [7].

Çarpışmalardan dolayı meydana gelen trafik gecikmelerine rağmen, ACK ve NACK sinyallerinin kullanılması çekişme tabanlı erişim tekniklerinde mükemmel bir geri bildirim (feedback) sistemi oluşturmaktadır. Çekişme tabanlı erişim tekniklerinden olan ve yaygın olarak kullanılan Aloha, Slotted Aloha ve CSMA teknikleri ve bu tekniklerin iş çıkarma başarımı denklemleri de bu başlık altında sunulacaktır [1].

2.3.1. Aloha

Aloha tekniği, veri iletimi için kullanılan rasgele erişim protokollerinin en temel olanıdır. Bu teknikte, veri paketine sahip bir kullanıcı doğrudan kanala erişim sağlar. Gönderim işlemi tamamlandıktan sonra, kullanıcı aynı kanaldan veya ayrı bir geri bildirim kanalından ACK paketi bekler. Eğer çarpışma meydana geldiyse ve NACK paketi alındıysa, rasgele bir süre beklenip gönderim işlemini tekrarlanır. Bu protokolde, kullanıcı sayısı arttıkça çarpışmalardan dolayı çok büyük gecikmeler meydana gelir [4, 7, 10].

22

Şekil 2.5’te, Aloha protokolünde paket gönderimi bir grafik yardımıyla ifade edilmiştir. Bu şekilde, 1. ve 2. Gönderici’nin ortama gönderdiği paketler zaman dilimi boyunca görülmektedir. Herhangi bir kontrol mekanizması olmadığı için Paket 4, Paket 2 ve Paket 5 ile çarpışmıştır. Bu yüzden, tüm bu çarpışan paketlerin tekrar gönderilmesi gerekmektedir [1, 10].

Şekil 2.5. Aloha protokolünde paket çarpışmaları

Aloha protokolünde, çarpışma meydana gelmemesi için gereken kritik zaman dilimi paket süresinin iki katına eşdeğerdir. Bir paket süresi saniye cinsinden α ile ifade edilirse, bir paketin başarılı iletimi için iki paket süresi boyunca paket gönderimi yapılmamalıdır. Bu yüzden 2α süresi boyunca çarpışma meydana gelmeme olasılığı, Denklem (2.3)’te ifade edilen Poisson Dağılımlı (Poisson Distribution) Rn

denkleminde n=0 yazılarak elde edilir [1, 6].

 

Bu denklemde G ortalama yükü, n ise bir paket süresi boyunca kanala çıkartılması beklenen paket sayısını ifade etmektedir. Ortalama yük G, paket süresi α ve saniyedeki ortalama paket varış hızının (mean arrival rate) β çarpımı yapılarak elde edilir [5, 6]. G (2.4) 1. Gönderici 2. Gönderici Paket 1 Paket 3 Paket 2 Paket Zamanı, α Kritik Süre, 2α Zaman Paket 4 Paket 5

23

Yük, bir ağa birim zamanda sunulan paket sayısı olarak tanımlanmaktadır. Bunun yanında, iş çıkarma oranı ise bir ağ ortamında başarılı olarak alınan toplam paket sayısı olarak ifade edilmektedir [6].

Aloha tekniğinin iş çıkarma başarımı, toplam sunulan yük ile başarılı gönderim olasılığının çarpımı yapılarak aşağıdaki şekilde elde edilir [1].

Aloha s

S GP _(2.5)

Denklem (2.5)’teki Ps, başarılı paket gönderme olasılığını ifade eder ve R0’a eşittir.

Bu durum aşağıdaki denklem yardımıyla ifade edilmektedir.

 

Denklem (2.6)’nın çözülmesinin ardından Denklem (2.7)’de görülen ifade elde edilmektedir.

2G

s 0

P _R _e _(2.7)

Denklem (2.7)’de hesaplanan Ps değeri yardımıyla Aloha tekniğinin iş çıkarma

başarımı aşağıdaki şekilde yazılmaktadır.

2G Aloha

S Ge (2.8)

Yukarıda elde edilen Aloha iş çıkarma denkleminden elde edilen grafik, Şekil 2.6’da gösterilmiştir. Bu grafikte, yük sıfırdan üçe kadar eşit aralıklarla artırılarak, iş çıkarma oranı elde edilmiştir. Görüldüğü üzere, yük 0,5 olduğunda en yüksek iş çıkarma oranı elde edilmektedir. Yük 0,5’ten büyük olduğundan, paket çarpışmalarının artmasıyla iş çıkarma oranı azalmaktadır.

24

Şekil 2.6. Aloha protokolünde yüke göre iş çıkarma oranı

Aloha ortam erişim tekniğinin üstünlükleri aşağıda maddeler halinde sıralanmıştır:  Çok sayıda kullanıcı veri iletimi yapabilmektedir.

 Çok fazla paket iletimi yapıldığı durumlarda, sabit tahsis ilkesine göre çalışan sistemlerden daha verimlidir.

 Geri bildirim sistemine sahip olduğu için, paketlerin başarılı bir şekilde iletildiğinden emin olunur.

 Ağa yeni bir terminalin eklenmesi ve çıkarılması oldukça kolaydır. Aloha tekniğinin olumsuz yönleri aşağıda maddeler halinde sıralanmıştır:  Teorik olarak ulaşabileceği en yüksek iş çıkarma oranı % 18,4 ile sınırlıdır.  Çarpışma meydana geldiği durumlarda paketlerin yeniden gönderilmeleri

gerekmektedir. Bununla birlikte, paketlerin yeniden gönderilebilmeleri için paket tamponuna (queuing buffer) ihtiyaç duymaktadır.

 Kullanıcı sayısının artması gecikmelere sebep olmaktadır.

2.3.2. Slotted Aloha

Slotted Aloha tekniğinde, zaman α paket süresine eşit veya bu süreden büyük olacak şekilde eşit dilimler uzunluğunda parçalara bölünmüştür. Her bir kullanıcı, sadece zaman diliminin başlangıcında paket gönderimi yapabilir. Eğer bir kullanıcının zaman diliminin başlangıcı dışında hazır paketi olur ise, bir sonraki zaman diliminin

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 Ortalama Yük (G) İş Ç ık ar m a O ra nı ( S Alo ha )

25

başlangıcına kadar bekleme yapar. Ayrıca bu teknikte, kullanıcıların zaman dilimlerini takip etmesi için tabi oldukları eş zamanlı bir saat mevcuttur [1, 4].

Şekil 2.7’de, Slotted Aloha tekniğinin Aloha protokolünden üstünlüğü açıkça görülmektedir. Slotted Aloha tekniğinde, paket gönderimi sadece her bir zaman dilimi başında olduğu için kısmi paket çarpışmaları önlenmiş olur. Bu grafikte gösterilen durumda Paket 1, Paket 2 ve Paket 3 sağlıklı bir şekilde gönderilmekte iken, Paket 4 ve Paket 5 bütün olarak çarpışmaktadırlar. Bu yüzden, bu iki paketin sonraki zaman dilimlerinde tekrar gönderilmesi gerekmektedir.

Şekil 2.7. Slotted Aloha protokolünde paket çarpışması

Şekilden de anlaşıldığı üzere, Paket 4 ve Paket 5 boş bir zaman dilimi geçtikten sonra aynı zaman diliminde gönderime başladıkları için bütün olarak çarpışmışlardır. Bu iki paketin bir önceki zaman diliminin ortalarında hazır olma olasılığını göz önüne alırsak, Aloha tekniğinde bu paketler kısmi olarak çarpışıp başka paketlerin de zarar görmesine yol açabilirdi. Bu olasılık Slotted Aloha tekniği için düşünüldüğünde, iki paket de zaman diliminin başlangıcına kadar bekletilmiştir [1, 10].

Şekilde de görüldüğü üzere, paketlerin zaman dilimleri dışındaki çarpışmaları bu teknik sayesinde engellenmektedir. Fakat kullanıcı sayısı arttıkça, paketlerin bütünü çarpıştığı için Aloha tekniğine göre daha büyük gecikmeler meydana gelmektedir. Slotted Aloha tekniğinde, kullanıcının tekrar gönderim yapmadan önce beklediği süre trafiğin gecikme karakteristiğini belirler. Slotted Aloha için kritik süre, kısmi çarpışmalar meydana gelmediği için sadece bir paket zamanıdır. Kritik süre boyunca

1. Gönderici 2. Gönderici Paket 1 Paket 3 Paket 2 Paket Zamanı, α Zaman Paket 4 Paket 5

26

başka hiçbir gönderimde bulunulmama olasılığı e-G olduğundan dolayı, Slotted Aloha protokolünün iş çıkarma başarımı ifadesi aşağıdaki şekilde elde edilir [8, 9].

G SAloha

S Ge (2.9)

Bu denklem sonucunda, Slotted Aloha protokolünün iş çıkarma başarımı grafiği aşağıda şekilde görülmektedir.

Şekil 2.8’de, Slotted Aloha tekniğinin yüke göre iş çıkarma oranı grafiği görülmektedir. Bu grafikte, yük 0 ile 6 arasında değişmektedir. En yüksek iş çıkarma oranı yük 1 olduğunda elde edilmiştir.

Şekil 2.8. Slotted Aloha protokolünün ortalama yüke göre iş çıkarma oranı

Şekilden de görülmektedir ki, zaman dilimi dışındaki kısmi çarpışmaların engellenmesi sonucunda Aloha protokolünün iş çıkarma oranı iki katına çıkarılmıştır. Slotted Aloha tekniğinin olumlu yönleri aşağıda maddeler halinde sıralanmıştır:  Zaman dilimlerinin dışında paket iletimi başlatılmadığı için, kısmi çarpışmalar

engellenmiş olur.

 Çok fazla paket iletimi yapıldığı durumlarda, sabit tahsis ilkesine göre çalışan sistemlerden daha verimlidir.

0 1 2 3 4 5 6 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 Ortalama Yük (G) İş Ç ık ar m a O ra nı ( S SA lo ha )

27

 Geri bildirim sistemine sahip olduğu için, paketlerin başarılı bir şekilde iletildiğinden emin olunur.

 Ağa yeni bir terminalin eklenmesi ve çıkarılması kolaydır.

Slotted Aloha tekniğinin olumsuz yönleri aşağıda maddeler halinde sıralanmıştır:  Teorik olarak ulaşabileceği en yüksek iş çıkarma oranı % 36,8 ile sınırlıdır.  Tekrar gönderilmesi gereken paketler için tampon gerekmektedir.

 Eş zamanlama sinyalinin çok iyi ayarlanması gerekmektedir.

2.3.3. CSMA

Aloha ve Slotted Aloha protokollerinde, iletim yapılmadan önce kanal hiçbir şekilde dinlenmemektedir. Bu yüzden, kanal kullanımı ilgili herhangi bir bilgi edinilemediği için gönderilen paketlerin çarpışma olasılığı vardır. İletim yapmaya başlamadan önce kanalı dinlemek, çok büyük verimlilikler sağlayabilir. CSMA protokollerinde, her kullanıcı paket gönderimine başlamadan önce kanal durumunu denetler. Kanalın boş veya dolu olma durumlarına göre ağ yapısına özgü algoritma kullanılarak gönderim ya da bekleme işlemi gerçekleştirilir [10].

CSMA protokollerinde, sezme gecikmesi (detection delay) ve yayılım gecikmesi (propagation delay) olmak üzere iki önemli parametre mevcuttur. Sezme gecikmesi alıcı donanımının bir fonksiyonudur ve kanalın boş olup olmadığını tespit etmek için geçen süre olarak tanımlanır. Yayılım gecikmesi ise, paketin baz istasyonundan alıcıya ne kadar hızlı ulaştığının bağıl ölçüsüdür. Çok kısa bir sezme zamanı ile kullanıcı boş kanalı oldukça hızlı bir şekilde tespit eder. Yayılım gecikmesinin düşük olması paketin kanaldan çok kısa süre içinde iletilmesi anlamına gelmektedir. Bu şekilde, gayet verimli bir iletişim gerçekleştirilmiş olur [4, 5].

Direngen olmayan (non - persistent) CSMA protokolünde, eğer ortam boş ise iletim işlemi yapılır. Ortam meşgul ise, rasgele bir süre beklenir ve ortamın boş olup olmadığını tespit etme işlemi tekrarlanır. Burada beklenen rasgele süre çarpışma olasılığını düşürür. Bu sürenin çok uzun tutulması, gereksiz zaman kaybından dolayı sistemin etkin kullanımına zarar verir [8, 9].

28

1 - direngen (1 - persistent) CSMA protokolünde, eğer ortam müsait ise iletim işlemi gerçekleştirilir. Eğer ortam meşgul ise, ortam dinlemeye devam edilir ve ortam boş olduğu anda iletim işlemi yapılır. Bu protokolde birden fazla kullanıcı aynı anda yeniden iletime başlarsa çarpışma meydana gelme olasılığı artmaktadır [1, 2].

P - direngen (P - persistent) CSMA protokolünde, eğer ortam boş ise ilk zaman diliminde p olasılık ile gönderim işlemi gerçekleştirilir. Eğer ortam boş değil ise bir sonraki zaman diliminde (1 - p) olasılık ile iletim yapılır. Ortam meşgul olduğu durumlarda ise, ortam müsait olana kadar dinlemeye devam edilir. Ortam boş olduğunda ilk adımda bahsedilen işlemler tekrar edilir. Bu protokol direngen olmayan ve 1 - direngen CSMA protokollerinin iyi yönleri alınarak elde edilmiştir [1, 9, 10].

CSMA tekniğinde, 2 kullanıcı aynı anda paket göndermeye başladığında çarpışma olsa bile gönderim işlemi paket gönderme süresi sonuna kadar sürdürülür. Bu durum, çarpışma meydana geldiği takdirde paket gönderim süresi kadar gereksiz zaman harcanmasına sebep olur [4].

Bununla birlikte, Çarpışma Sezme (Collision detection - CD) tekniğine dayanan CSMA / CD protokolünde, ortam boş ise iletim işlemi gerçekleştirilir. Eğer ortam meşgul ise ortam boş olana kadar dinlemeye devam edilir ve müsait olduğunda iletim işlemi gerçekleştirilir. Daha sonra, rasgele bir süre beklenir ve aynı algoritma tekrarlanır.

CSMA / CD tekniğinin en büyük avantajı, iletim sırasında herhangi bir çarpışma tespit edildiğinde iletim işleminin hemen durdurulmasıdır ki bu da ortamda gereksiz zaman kaybını önlemektedir. Herhangi bir çarpışma meydana geldiğinde, ortama çarpışma olduğunu bildiren bir kod gönderilerek tüm kullanıcıların bu durumdan haberdar olması sağlanır [5, 6].

Çarpışmadan Kaçınma (Collision Avoidance - CA) tekniğine dayanan CSMA / CA protokolünde, CSMA / CD protokolünde olduğu gibi bütün kullanıcılar ortamı dinler. İletime başlamak isteyen kullanıcı ortamı kontrol eder. Eğer ortam meşgul ise, o anda sürmekte olan iletimin sonuna kadar bekler. Bu süre bitiminde ilave olarak önceden belirlenmiş DIFS (Distributed Inter Frame Space) süresi kadar daha