Modeling and Analysis of Cognitive Radio Ad Hoc Networks
Dr.-Ing. Kalil, Mohamed Abd rabou Ahmed · 2011
Eine Welt ohne drahtlose Ad-Hoc Netzwerke ist heute kaum noch vorstellbar.Auf Grund der geringen Kosten und des minimalen Installationsaufwands werden gegenwartig immer mehr Gerate in immer mehr Anwendungsfeldern eingesetzt. Da die meisten dieser Netzwerke im lizenzfreien ISM-Band operieren, ist dieses heute stark ausgelastet und weist kaum noch freie Kapazitaten auf. Aktuelle Studien der Federal Communication Commission (FCC) belegen allerdings, dass grose Teile (bis zu 70%) der lizenzbehafteten Frequenzen ungenutzt sind. Dieser Umstand zeigt, dass das Problem weniger die generelle Knappheit an freien Frequenzen ist, sondern vielmehr in der ineffizienten Verteilung bzw.Nutzung der verfugbaren Resourcen zu suchen ist. Das Hauptaugenmerk der vorliegenden Dissertation liegt in der Verbesserung der Spektrumsauslastung, um dadurch die weitere Entwicklung von drahtlosen Ad-Hoc Netzwerken zu ermoglichen.In dieser Arbeit wird ein neues Spektrum-Management-Konzept mit dem Namen Opportunistic Spectrum Access with Backup channel (OSAB) entwickelt und vorgestellt. Das hierbei zugrunde liegende Konzept gestattet Secondary Users (SUs)dynamisch und flexibel auf Frequenzen unlizenzierter als auch lizensierterFrequenzbander zu zugreifen, wenn diese vom Primary User (PU) gerade nicht genutzt werden - es also keine Interferenzen geben kann.Da der Zugriff auf das Frequenzspektrum heute existierender Systeme noch sehr unflexibel ist, soll dieser in Zukunft durch Cognitive Radios (CR)weit flexibler und dynamischer gestaltet werden konnen. Bei der Entstehung von OSAB wurden speziell die unterschiedlichen Eigenschaften verschiedener Frequenzbander berucksichtigt.Der Hauptvorteil von lizenzbehafteten Bandern ist, dass diese in hoher Anzahl verfugbar sind. Der Hauptvorteil von lizenzfreien Frequenzen ergibt sich hingegen aus der Gleichstellung aller Nutzer. Sobald ein SU einmal einen Kanal belegt hat, kann er nicht mehr aus selbigem verdrangt werden.Kommuniziert OSAB in lizenzierten Bandern, so wird stets ein Backup Channel (BC)vorgehalten um auf das plotzliche Auftreten des PUs reagieren zu konnen.Das vorgeschlagene Konzept wurde in dieser Arbeit auserdem einer intensiven Analyse mittel Markov-Ketten unterzogen. Die dabei erzielten Ergebnisse zeigen,dass OSAB den Paketverlust und die erwartete Anzahl an Spektrum-Hand-Offs um 60% bzw. 17% reduzieren kann.Um den Nutzen und die Vorteile von OSAB praktisch unter Beweis zu stellen, wurde in der vorliegenden Arbeit weiterhin das MAC-Protokoll SWITCH (opportunisticSpectrum access WITh backup CHannel) entwickelt.SWITCH ist ein dezentrales, asynchrones, verbindungsbasiertes MAC-Protokoll, welchesdurch das Backup-Channel-Konzept in der Lage ist, effektiv auf das plotzliche Eintreffen von PUs zu reagieren.Jeder SU ist dabei mit zwei Transceivern ausgestattet, wobei einer davon stets fur die Kommunikation auf dem gemeinsam genutzten Kontroll-Kanal (Common Control Channel) verantwortlich ist. Der zweite Transceiver ist so ausgelegt, dass dieser periodisch alle ungenutzten Kanale absucht und dynamisch auf diese zugreifen kann. Um den Zustand eines Kanals (belegt/nicht belegt) korrekt erkennen zu konnen wird in dieser Arbeit eine einfache aber effektive Form des kooperativen Sensings genutzt. Die Performanz des Protokolls wurde mit Hilfe von Simulationen evaluiert. Die Ergebnisse zeigen, dass SWITCH im Vergleich zu anderen CR-MAC-Protokollen eine Verbesserung des Durchsatzes von bemerkenswerten 91,7% erzielen konnte. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die vorgeschlagenen Beitrage einen Schritt hin zu einer effektiveren Nutzung der verfugbaren Funkressourcen und zur Erhohung der Kapazitat von drahtlosen Ad-Hoc Netzwerken darstellen.