T.C. SELÇUK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Transkript

1 T.C. SELÇUK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ KABLOSUZ ALGILAYICI AĞLAR İÇİN EŞİK TABANLI FIRSATÇI PAKET GÖNDERİM PLANI TASARIMI Haı SOY DOKTORA TEZİ Eletri - Eletroni Mühendisliği Anabilim Dalı Mayıs-2013 KONYA Her Haı Salıdır

2

3

4 1 ÖZET DOKTORA TEZİ KABLOSUZ ALGILAYICI AĞLAR İÇİN EŞİK TABANLI FIRSATÇI PAKET GÖNDERİM PLANI TASARIMI Haı SOY Selçu Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Eletri - Eletroni Mühendisliği Anabilim Dalı 1. Danışman: Prof. Dr. Mehmet BAYRAK 2. Danışman: Yrd. Doç. Dr. Özgür ÖZDEMİR 2013, 133 Sayfa Jüri Prof. Dr. Mehmet BAYRAK Prof. Dr. Ali OKTAY Prof. Dr. Saadetdin HERDEM Doç. Dr. Ercan YALDIZ Yrd. Doç. Dr. S. Sinan GÜLTEKİN Kablosuz algılayıcı ağların geleceğin algılama tenolojisi olması öngörülmete ve bu nedenle geniş bir yelpazede uygulama alanlarında gidere daha önemli hale gelmetedir. Katmanlar arası tasarım, ablosuz algılayıcı ağların optimizasyonu için umut verici yeni bir yalaşımdır. Bu tez çalışmasında, fizisel atmanda elde edilen anal durum bilgisinin, ortam erişim ontrol atmanında optimal paet gönderim zamanlaması için ullanılmasına odalanılmıştır. Hücresel mimaride, algılayıcı düğümler arasında çeşitleme ullanılara elverişsiz anal alitesine sahip olanların haberleşmesini erteleren, iyi bağlantıya sahip olanların gönderimlerini fırsatçı şeilde zamanlayara ablosuz analın spetral verimliliğinin artırılması mümündür. Bu tezde, yuarı bağlantı paet gönderimi için dağıtılmış durumda ço ullanıcı çeşitlemesi azancı ullanılara geri besleme olmasızın eşi seviyesine dayanan yeni bir strateji önerilmiştir. Tasarımda, algılayıcı düğümlerin sadece endi anallarını bildileri varsayılmış ve algılayıcı düğümlerden ontrol düğümüne paet transferi herhangi bir düğümün anal alitesi o ani zaman diliminde önceden belirlenmiş eşi seviyesini geçince başlatılmıştır. Optimum eşi seviyesini belirleme için basitleştirilmiş çarpışma modeli altında bir zaman diliminde sadece bir algılayıcı düğümün endi paetini gönderdiği başarılı paet gönderim olasılığı masimum yapılmıştır. Bu bağlamda ii farlı sistem modeli incelenmiştir. Birinci durumda algılayıcı düğümlerin sadece bir antene sahip olduğu varsayılmış ve anal azançları SNR ve NSNR metriler ullanılara ölçülmüştür. Daha sonra, algılayıcı düğümlerin çolu antenlere sahip olduğu abul edilere önerilen strateji anten çeşitlemesi ve doğrusal birleştirme tenileri yardımıyla ESNR metri aracılığıyla uygulanmıştır. Bu tezdei tasarım yöntemi bant genişliği verimli, güvenilir ve ölçelenebilir ablosuz algılayıcı ağların ortaya oyulmasını, aynı zamanda çarpışmalara rağmen enerji tüetiminin azaltılmasını hedeflemetedir. Analiti çözümler yanında, önerilen stratejinin etinliğini inceleme üzere MATLAB programlama ortamında bir benzetim modeli geliştirilmiş ve uygulanmıştır. Benzetim sonuçları önerilen planın performansının gelenesel dönüşümlü zamanlama algoritmasından daha iyi olduğunu ve analiti çözümlere ço yaın sonuçlar verdiğini göstermiştir. Anahtar Kelimeler: ço ullanıcı çeşitlemesi; çolu antenler; fırsatçı zamanlama, atmanlar arası tasarım; ablosuz algılayıcı ağlar; ortam erişim ontrolü (MAC) protoolü.

5 2 ABSTRACT Ph.D THESIS A THRESHOLD-BASED OPPORTUNISTIC PACKET TRANSMISSION SCHEME DESIGN FOR WIRELESS SENSOR NETWORKS Haı SOY THE GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCE OF SELÇUK UNIVERSITY DOCTOR OF PHILOSOPHY IN ELECTRICAL - ELECTRONIC ENGINEERING Advisor: Prof. Dr. Mehmet BAYRAK Co-Advisor: Assist. Prof. Dr. Özgür ÖZDEMİR 2013, 133 Pages Jury Prof. Dr. Mehmet BAYRAK Prof. Dr. Ali OKTAY Prof. Dr. Saadetdin HERDEM Assoc. Prof. Dr. Ercan YALDIZ Assist. Prof. Dr. S. Sinan GÜLTEKİN Wireless sensor networs are currently foreseen to become the sensing technology of the future and to thus become increasingly important in a wide variety of application fields. Cross-layer design is a new promising approach for wireless sensor networ optimization. This thesis focuses on exploiting channel state information from the physical layer for optimal pacet transmission scheduling at the medium access control layer. In a cellular architecture, it is possible to use diversity among the sensor nodes to increase the spectral efficiency of the wireless channel by opportunistically schedule transmissions with a good connection, while postponing communication to those with unfavorable channel qualities. We propose a threshold based novel strategy for uplin pacet transmission which exploits multiuser diversity gain without feedbac in a decentralized manner. In our design, we assume that the sensor nodes now only their own channels and the pacet transfer from the sensor nodes to the controller node is initiated when the channel quality of any node exceeds the predefined threshold at the current time slot. To determine the optimum threshold, we maximize the probability of successful pacet transmission where only one sensor node transmits its pacet in one time slot under the simplified collision model. We investigate two different system models in this context. At the first setup, we assume that the sensor nodes have only single antenna and the channel gains are measured by using SNR and NSNR metrics. Afterwards, the sensor nodes are assumed with multiple antennas, so the proposed strategy is applied with ESNR metric through antenna diversity and linear combining techniques. The design methodology in this thesis aims at producing bandwidth efficient, reliable and scalable wireless sensing networs, in spite of collisions, reducing energy consumption at the same time. Besides the analytical solutions, a simulation model was developed and implemented in MATLAB programming environment to study the effectiveness of proposed strategy. Simulation results show that the performance of proposed scheme outperforms the conventional round robin scheduling algorithm and gives very close results to the analytical solutions. Keywords: cross layer design; medium access control (MAC) protocol; multiple antennas; multiuser diversity; opportunistic scheduling; wireless sensor networs.

6 3 ÖNSÖZ Dotora eğitimim süresince meslei açıdan gelişmemde büyü desteğini gördüğüm, fiir ve tecrübeleriyle her onunda yol gösteren, yardım ve tavsiyelerini esirgemeyen danışmanım Sayın Prof. Dr. Mehmet BAYRAK a en içten dilelerimle teşeür ederim. Tez onusunun belirlenmesinden başlayara çalışmalarıma büyü bir titizlile rehberli eden, değerli zamanını ayıran, bilgi ve deneyimlerini paylaşan yardımcı danışmanım Sayın Yrd. Doç. Dr. Özgür ÖZDEMİR e sonsuz teşeürlerimi sunarım. Lisans eğitimim esnasında endime örne aldığım, görüş ve önerileriyle tezin ortaya çımasına deste veren Tez İzleme Komitesi Üyesi Sayın Prof. Dr. Ali OKTAY a, tez çalışmalarının yürütülmesinde her türlü ilgi ve desteği gösteren Tez İzleme Komitesi Üyesi Sayın Doç. Dr. Ercan YALDIZ a, atılarından dolayı Sayın Prof. Dr. Saadetdin HERDEM ve Sayın Yrd. Doç. Dr. S. Sinan GÜLTEKİN e teşeür ederim. Son olara, sevgi ve destelerini her an yanımda hissettiğim aileme şüranlarımı sunarım. Haı SOY KONYA-2013

7 4 İÇİNDEKİLER ÖZET... 1 ABSTRACT... 2 ÖNSÖZ... 3 İÇİNDEKİLER... 4 SİMGELER VE KISALTMALAR GİRİŞ Kablosuz Haberleşme Kanalı Kanal arateristileri Kanal modelleri Kanal apasitesi Kanal parametreleri Kanal sınıflandırma Çeşitleme tenileri Çolu-Giriş Çolu-Çıış (MIMO) Sistemler Hücresel Haberleşme Sistemleri Çolu erişim tenileri Zamanlama planı Tezin Motivasyonu Tezin Literatüre Katısı Temel Varsayımlar Tezin Organizasyonu KABLOSUZ ALGILAYICI AĞLAR Algılayıcı Düğüm Mimarisi Ağ Mimarisi ve Protool Yığını Fizisel atman Veri bağlantı atmanı Ağ atmanı Taşıma atmanı Uygulama atmanı IEEE ve ZigBee Standartları MAC Protoolü Tasarımı Katmanlar Arası Tasarım ve Optimizasyon Literatür Özeti Stati TDMA planı Masimum SNR/NSNR planı Masimum olabilirli planı... 52

8 5 3. ÖNERİLEN FIRSATÇI PAKET GÖNDERİM PLANI Sistem Modeli Kanal ve Sinyal Modeli Aşağı bağlantı fazında pilot sinyal yayını Yuarı bağlantı fazında paet gönderimi Optimum Eşi Seviyesinin Belirlenmesi Önerilen SNR planı Önerilen NSNR planı Performans Analizi Optimum eşi seviyesi analizi Kanal durumu analizi Spetral verimlili analizi Sinyal alitesi analizi Enerji verimliliği analizi Adaletlili analizi ÖNERİLEN PLANININ UZAYSAL ÇEŞİTLEME İLE GELİŞTİRİLMESİ Sistem Modeli Kanal ve Sinyal Modeli Aşağı bağlantı fazında pilot sinyal yayını Yuarı bağlantı fazında paet gönderimi Optimum Eşi Seviyesinin Belirlenmesi SC ile önerilen ESNR planı MRC ile önerilen ESNR planı Performans Analizi Optimum eşi seviyesi analizi Kanal durumu analizi Spetral verimlili analizi Sinyal alitesi analizi Enerji verimliliği analizi Adaletlili analizi SONUÇLAR VE ÖNERİLER Sonuçlar Öneriler KAYNAKLAR EKLER EK-1: Önerilen SNR planında spetral verimlili ifadesi EK-2: Önerilen NSNR planında sistem SNR metriği PDF ifadesi EK-3: SC ile önerilen ESNR planında sistem ESNR metriği PDF ifadesi EK-4: SC ile önerilen ESNR planında spetral verimlili ifadesi EK-5: SC ile önerilen ESNR planında başarılı paet ortalama SNR ifadesi

9 6 EK-6: MRC ile önerilen ESNR planında optimum eşi seviyesi ifadesi EK-7: MRC ile önerilen ESNR planında sistem ESNR metriği PDF ifadesi EK-8: MRC ile stati TDMA planında spetral verimlili ifadesi EK-9: MRC ile önerilen ESNR planında başarılı paet ortalama SNR ifadesi ÖZGEÇMİŞ

10 7 SİMGELER VE KISALTMALAR Simgeler λ d h r σ τ I0 P B C ψ TC BD C BC TS BS ρ K L M N β n p δ Γ Γc E1 u η x y z h w q s t : Dalga boyu : Ortamdai engelin fizisel boyutu : Kanal azanç atsayısı : Sinyal genliği : Standart sapma : Diret sinyal genliğinin tepe değeri : Sıfırıncı dereceden değiştirilmiş Bessel fonsiyonu : Sinyal gücü : Bant genişliği (Hz) : Kanal apasitesi (bit/s) : Spetral verimlili (bit/s/hz) : Sinyal gürültü oranı : Ortalama sinyal gürültü oranı : Sistem sinyal gürültü oranı : Başarılı paetlerin sinyal gürültü oranı : Kanal uyum zamanı : Doppler yayılımı : Kanal gecime yayılımı : Kanal uyum bant genişliği : Sinyal sembol süresi : Sinyal bant genişliği : Başarılı paet ortalama sinyal gürültü oranı : Algılayıcı düğüm sayısı : Algılayıcı düğümlerde anten sayısı : Kontrol düğümünde anten sayısı : Sembol sayısı : Optimum eşi seviyesi : Ayrı zaman indisi : Zaman dilimi indisi : Dirac delta fonsiyonu : Esi Gamma fonsiyonu : Tamamlayıcı esi Gamma fonsiyonu : Üstel integral fonsiyonu : Birim basama fonsiyonu : Normalleştirilmiş sinyal gürültü oranı : Pilot sinyal : Algılayıcı düğümlerde alınan sinyal : Gürültü sinyali : Kanal vetörü : Hüzme biçimlendirme vetörü : Bileşi anal atsayısı : Algılayıcı düğümden gönderilen veri paeti sinyali : Kontrol düğümünde alınan sinyal vetörü

11 8 z : Gürültü vetörü r : Kontrol düğümünde alınan birleştirilmiş sinyal H : Kanal matrisi q : Bileşi anal vetörü y : Algılayıcı düğümlerde alınan sinyal vetörü v : Algılayıcı düğümlerde alınan birleştirilmiş sinyal a : Ağırlı verme vetörü I : Birim matris (.) H : Hermityen eşleni operatörü (.) * : Karmaşı eşleni operatörü E. : Belenen değer operatörü. : Frobenious norm operatörü P (.) : Bir olayın olasılığı f (.) : Olasılı yoğunlu fonsiyonu F (.) : Kümülatif dağılım fonsiyonu 2 (0, ) : Dairesel simetri armaşı Gauss dağılımı Kısaltmalar ACK ADC AWGN BER CDF CDMA CSMA CSMA/CA CTS ESNR FDD FDMA GPS ISI LLC MAC MIMO MISO MRC NSNR PDF SC SNR SDMA SISO SIMO RF RTS TDD TDMA : Alındı onayı : Analog dijital dönüştürücü : Toplamsal beyaz Gauss gürültüsü : Bit hata oranı : Kümülatif dağılım fonsiyonu : Kod bölmeli çolu erişim : Taşıyıcı duyarlı çolu erişim : Çarpışma saınmalı taşıyıcı duyarlı çolu erişim : Gönderime uygun : Efetif sinyal gürültü oranı : Freans bölmeli çolama : Freans bölmeli çolu erişim : Küresel onumlandırma sistemi : Semboller arası girişim : Loji bağlantı ontrolü : Ortam erişim ontrolü : Çolu-giriş çolu-çıış : Çolu-giriş te-çıış : Masimum oran birleştirme : Normalleştirilmiş sinyal gürültü oranı : Olasılı yoğunlu fonsiyonu : Seçmeli birleştirme : Sinyal gürültü oranı : Uzay bölmeli çolu erişim : Te-giriş te-çıış : Te-giriş çolu-çıış : Radyo freans : Gönderim isteği : Zaman bölmeli çolama : Zaman bölmeli çolu erişim

12 9 1. GİRİŞ Haberleşme sistemlerinin temel ullanım amacı bilgi aynağı tarafından üretilen mesaj sinyalinin eletrisel olara hedefe gönderilmesidir. Verici ile alıcı arasındai fizisel ortam haberleşme analı olara isimlendirilir. Kablosuz haberleşme sistemlerinde bilgi atmosferde veya serbest uzayda radyo dalgası olara bilinen eletromanyeti dalgalar ullanılara taşınır. Kayna üzerindei verici anten sinyal gönderimi için radyo freansında enerji yayaren, hedef üzerindei alıcı anten sinyal alımı için radyo freansında enerji toplar. Kablolu sistemler ile arşılaştırıldığında ablosuz haberleşme tenolojisi olay yoldan ve düşü maliyetle veri transferine imân sağlar. Bunun yanında hareetlili (mobility) ve ölçelenebilirli (scalability) gibi bazı üstünlüleri, ablosuz haberleşmenin ço sayıda uygulama alanında yaygın olara ullanılmasının önünü açmıştır. Kablosuz haberleşme teorisinin temeli Maxwell denlemleri ile ışı hızında yayılan eletromanyeti dalgaların varlığının ortaya oyulması (1864), bu denlemlerin Hertz tarafından deneysel olara doğrulanması (1897) ve Marconi tarafından il uzun mesafeli radyo yayınının gerçeleştirilmesine (1899) dayanır. Geçen zaman içinde çalışma freansının yüseltilere anten boyutlarının üçültülmesi, sistem urulum maliyetinin düşmesi ve servis alitesinin yüseltilmesi gibi fatörler ablosuz sistemlerin her geçen gün daha fazla talep görmesi için tetileyici olmuşlardır. Bugün gelinen notada ablosuz haberleşme dünya genelinde üzerinde en fazla araştırma yapılan çalışma onularından biridir. Özellile son yıllarda yaygın olara ullanılan çolu anten tenileri, işbirliçi (cooperative) ve fırsatçı (opportunistic) haberleşme gibi yeni yalaşımlarla ablosuz sistemlerin gelişimi hızla devam etmetedir. Kablosuz haberleşmenin üstünlülerinin belirgin olara görüldüğü en önemli uygulamalardan biri uşusuz ablosuz ağlardır. Kablosuz ağlar ullanıcıların sahip olduları cihazlar yardımıyla birbirleriyle ablosuz bağlantı urduğu, ihtiyaç duyduları bilgi ve servislere ablosuz eriştiği haberleşme tenolojisidir. Hücresel ağlar üzerinden mobil telefon ullanımında elde edilen başarı, zamanla ablosuz yerel alan ağları ve geniş bant ablosuz ağlar gibi farlı uygulamaların ortaya çımasına yol açmış ve insan hayatında önemli değişililer meydana getirmiştir. Kablosuz haberleşme sistemlerindei yenililere paralel olara miro-eletroni devre tasarımı ve algılama tenolojilerinin hızla gelişimi sonucunda ablosuz algılayıcı ağlar olara isimlendirilen ve uzatan izleme uygulamalarında avantaj sağlayan yeni bir disiplin ortaya çımıştır.

13 10 Kablosuz ağlarda başta mevcut bant genişliği ve cihazlar üzerinde depolanan enerji olma üzere sistem aynaları ısıtlıdır. Buna arşın ullanıcıların ağa bağlı aldıları süre içerisinde yüse veri hızı ve düşü gecime süresi gibi servis alitesi ihtiyaçlarının esintisiz olara arşılanması gereir. Mevcut aynaların ullanıcılar arasında verimli şeilde paylaştırılması için ağ üzerinde ayna yönetimi gerçeleştirilir. Kablosuz ağlarda ullanıcıların anlı anal oşulları zamana ve bulunduları onuma göre farlılı göstereceğinden ayna ullanım verimliliği süreli değişir. Kayna yönetiminin etin yapılabilmesi için öncelile ablosuz anal özellilerinin ayrıntılı olara bilinmesi gereir Kablosuz Haberleşme Kanalı Kablosuz sistemlerinin performansı anal oşullarına göre değişir. Kablosuz analın doğası gereği orumasız yapısı sebebiyle gönderilen radyo dalgası üzerinde toplanır beyaz Gauss gürültüsü (additive white Gaussian noise, AWGN) ve semboller arası girişim (inter-symbol interference, ISI) etisi mevcuttur. Ayrıca Şeil 1.1 de gösterildiği gibi eletromanyeti dalga teorisinin fizisel anunlarına bağlı olara ortamda bulunan yapay engeller (şehirsel alanlarda binalar ve yollar) ve doğal engeller (ırsal alanlarda ağaçlar ve dağlar) sebebiyle radyo dalgası yayılımı yansıma (reflection), ırınım (diffraction) ve saçılma (scattering) gibi etilere maruz alır. Bu sebepten alınan sinyal, gönderilenden ço daha zayıftır (Paulraj ve Papadias, 1997). a. Yansıma b. Kırınım c. Saçılma Şeil 1.1. Ortamda bulunan engeller sebebiyle eletromanyeti dalga yayılımının etilenmesi

14 11 Yayılan eletromanyeti dalga, dalga boyu ile arşılaştırıldığında ço büyü fizisel boyutta (d >> λ) yer yüzeyi veya üzerindei binalar gibi bir engele çarparsa yansıma meydana gelir. Bununla birlite alıcı ile verici arasındai radyo yolu düzgün olmayan esin uçlar ve ısa açılıların oluşturduğu engeller tarafından esilirse ırınım meydana gelir. Bu durumda ortamdai üçü engeller etrafında eletromanyeti dalganın eğildiği veya üçü açılılardan geçeren dalganın genişlediği gözlenir. Doğrudan görüş hattı olmasa bile ırınımdan doğan iincil dalgalar sebebiyle alıcı ve verici arasında bağlantı sağlanır. Ayrıca eletromanyeti dalga yayılımının yapralar, soa ışıları ve lamba direleri gibi dalga boyu ile arşılaştırıldığında daha üçü boyutta (d < λ) bir veya daha fazla engel nedeniyle yolundan sapması saçılma olara isimlendirilir (Babu ve Rao, 2011) Kanal arateristileri Kablosuz haberleşme analının temel arateristiği sönümleme (fading) etisidir. Ortamda bulunan engeller sebebiyle oluşan sinyal terarlarının farlı genli ve fazda değişi yönlerden ayrı zamanlarda alıcıya ulaşması sonucu görülen zayıflama ve salınımlar sönümleme olara isimlendirilir. Sönümleme sebebiyle alınan sinyalin anlı gücü zaman, freans ve coğrafi onum diate alındığında rastgele değişir. Sönümlemeye sebep olan sinyal terarları anal şartlarına bağlı olara birbirlerini zayıflataca şeilde alıcıya ulaşırsa meydana gelen yııcı yönde güçlü girişim etisi derin sönümleme (deep fading) olara isimlendirilir. Derin sönümleme durumunda haberleşmede esintiler görülür (Tse ve Viswanath, 2005; Goldsmith, 2005). Sönümlemenin aynağında yol aybı (path loss), gölgeleme (shadowing) ve çolu yol yayılımı (multipath propagation) gibi bozucu etenler vardır. Kablosuz sistemlerde yol aybı nedeniyle ayna ve hedef arasındai izlenen yolun uzunluğuna bağlı olara sinyal gücü azalır. Alınan sinyal gücü belirli bir eşi seviyesinin altına düştüğünde, alıcının gönderilen sinyali çözümlemesi mümün olmaz. Bununla birlite ortamda bulunan engeller sebebiyle gönderilen sinyal bloe edilirse alınan sinyal gücü önemli ölçüde azalır. Bu durum gölgeleme olara isimlendirilir. Ayrıca gönderilen sinyalin ortamda bulunan engellere çarpması ve yer yüzeyinden yansıması sonucu ortaya çıan sinyal terarları çolu yol yayılımı olara isimlendirilir. Alıcıya ulaşan sinyal terarlarının üst düşümü (superposition), alınan sinyal üzerinde yapıcı ve yııcı yönde girişim ile faz aymasına sebep olur (Rappaport, 2002; Pätzold, 2002).

15 12 Kablosuz haberleşme sistemlerinde yol aybı ve gölgeleme etisi geniş ölçeli sönümleme (large scale fading), çolu yol yayınımı etisi ise üçü ölçeli sönümleme (small scale fading) olara değerlendirilir. Büyü bir coğrafi bölge üzerinde radyo dalgası yayılımı üzerinde Şeil 1.2 de gösterildiği gibi hem büyü ölçeli (uzun mesafeli) hem de üçü ölçeli (ısa mesafeli) sönümleme görülür (Goldsmith, 2005). Sönümleme anal üzerinde zamanla rastgele değiştiğinden radyo dalgası yayılımının tahmin edilmesi olduça zor bir problemdir. Pratite arşılaşılan pe ço haberleşme sistemi için anal arateristilerinin önceden bilinmesi mümün olamayacağından, alıcıya ulaşan sinyal gücünün değişimi genellile rastgele süreç (random process) olara değerlendirilir (Wen, 2011). Şeil 1.2. Kablosuz anal üzerinde sinyal gücünün sönümleme sebebiyle rastgele değişimi Kanal modelleri Kablosuz sistemlerde anal üzerinde eletromanyeti dalga yayılımı ve buna bağlı olara alınan sinyal gücü ortamdai engeller sebebiyle süreli olara değişir. Gönderilen sinyale bağlı olara alınan sinyalin belirlenmesi anca anal modelinin tam olara bilinmesi durumunda mümün olabilir. Sinyal yayılımı üzerinde sönümleme etisini belirleme için farlı anal modelleri geliştirilmiştir (Ertel ve Cardieri, 1998). Kablosuz sistemlerde radyo dalgası yayılımı genellile Rayleigh ve Rician anal modelleri ullanılara incelenir. Hem Rayleigh hem de Rician anal modelleri düz sönümlemeli (dar bant) sistemlerde geçerli olup verici, alıcı ve/veya ortamda bulunan engellerin hareet etmesinden aynalanan Doppler ayması etisini içermez.

16 13 Rayleigh sönümlemeli anal üzerinde gönderilen radyo dalgasının diret sinyal bileşeni ortamdai engeller sebebiyle tamamen bloe ediliren, ço sayıda çolu yol bileşenleri zayıf genlilerle alıcıya ulaşır. Rayleigh anal durumunda azanç atsayıları h a bi şelinde modellenir. Burada a ve b terimleri bağımsız ve özdeş dağılımlı rastgele Gauss değişenlerdir, a b 2, (0, ). Alınan sinyal genliği r h a b 2 2 için olasılı yoğunlu fonsiyonu (probability density function, PDF) ve ümülatif dağılım fonsiyonu (cumulative distribution function, CDF) ifadeleri sırasıyla 2 r 2 2 r fr( r) e ( r 0) (1.1) 2 ve 2 r 2 2 F ( r) 1 e (1.2) r şelinde verilmiştir. Burada 2σ 2 terimi alınan çolu yol sinyallerinin ortalama gücünü gösterir. Benzer şeilde alınan sinyal gücü r h için PDF ifadesi, 2 2 r ( ) ( 0) r 2 f r e r (1.3) 2 olara verilmiştir (Du ve Swamy, 2010; Shanar, 2012). Rayleigh sönümlemeli anal modeli ullanılara troposfer/iyonosfer üzerinden haberleşme ve entsel alanların radyo dalgası yayılımına etisi incelenebilir (Wen, 2011). Rician sönümlemeli anal üzerinde gönderilen radyo dalgasının güçlü olan diret sinyal bileşeni ile birlite az sayıdai zayıf çolu yol bileşenleri alıcıya ulaşıren, alınan sinyal gücü istatistisel olara Rician dağılımı ullanılara ifade edilir. Rician anal durumunda azanç atsayıları h ( a ) bi şelinde modellenir. Burada terimi diret sinyal genliğinin tepe değerini gösterir. Alınan sinyal genliği r h a b 2 2 ( ) için PDF ifadesi, 2 2 ( r ) 2 r r fr( r) e I ( r 0) (1.4)

17 14 şelinde verilmiştir. Burada τ 2 diret sinyal gücünü, 2σ 2 alınan çolu yol sinyallerinin ortalama gücünü ve 2 1 x cos I0( x) e d 2 0 (1.5) sıfırıncı dereceden değiştirilmiş Bessel fonsiyonunu gösterir (Biglieri ve ar., 1998; Du ve Swamy, 2010) Kanal apasitesi Kablosuz sistemlerde bağlantı alitesini ölçme için çoğu zaman anal apasitesi ölçütünden faydalanılır. Te-giriş, te-çıış (single-input, single-output, SISO) sistem modeli üzerinde AWGN anal için giriş-çıış ilişisi, y Px z (1.6) şelinde ifade edilir. Burada P sinyal gücü, x anal girişi, y anal çıışı, z ise sıfır ortalamalı ve 2 varyanslı armaşı toplanır beyaz Gauss gürültüsü terimlerini göstermetedir. Shannon (1948) tarafından geliştirilen enformasyon teorisinde apasite avramı, anal üzerinde hatasız olara gönderilebilece bilgi mitarının üst sınırı olara açılanmıştır. AWGN anal için anal apasitesi Shannon tarafından, C Blog (1 ) (1.7) 2 formülüyle verilmiştir. Burada B anal bant genişliğini ve 2 P / ortalama sinyal gürültü oranı (signal-to-noise ratio, SNR) değerini göstermetedir. Shannon anal apasitesi teori üst sınır olup pratite ulaşılması zordur. Kablosuz sistemlerde bağlantı alitesini ölçme için ayrıca spetral verimlili ve enerji verimliliği ölçütlerinden faydalanılabilir (Fahri ve ar., 2006). Spetral verimlili verilen bit hata oranı (bit error rate, BER) ile birim bant genişliğinden birim zamanda anal üzerinden gönderilebilece toplam bit sayısını belirtmetedir. Enerji

18 15 verimliliği ise verilen BER ve bant genişliği ile belirlenen bit sayısının anal üzerinden gönderilmesi için gereli enerjiyi gösterir (Ullah ve Priantoro, 2009). Shannon limiti yardımıyla spetral verimlili, C log 2(1 ) (1.8) B şelinde elde edilir. Bulunan ifadeden görüldüğü üzere spetral verimlili, bant genişliği başına veri hızıdır. Spetral verimliliğin artırılması için ortalama SNR değerinin artırılması gereir. Bu şeilde bant genişliğinden bağımsız olara apasite artışı sağlanabilir. Kablosuz sistemlerde performans ölçülüren spetral verimlili ve apasite avramları çoğu zaman birbirleriyle örtüşür (Pérez-Neira ve Campalans, 2009). Sönümlemeli anal durumunda apasite, verici ve/veya alıcıda anal durum bilgisi (channel state information) bulunmasına bağlıdır. Hem alıcı hem de vericide anal durum bilgisi bulunması durumunda, sönümlemeden dolayı anal apasitesinde üçü bir ayıp oluşur ve gönderilen sinyal sadece gürültüden etilenir. Buna arşın alıcıda anal durum bilgisi bulunması faat vericide bulunmaması durumunda, gönderilen sinyal gürültü yanında sönümlemeden de etilenir. Özellile derin sönümleme meydana geldiğinde alınan sinyal esintiye uğrayacağından anal apasitesi olduça düşer. Düz sönümlemeli anal için giriş-çıış ilişisi, y Phx z (1.9) 2 olara ifade edilir. Burada h terimi rastgele anal azanç atsayısıdır. E h 1 olduğu abul edilirse sönümlemeli anal apasitesi, C E Blog (1 h ) B log (1 ) f ( ) d (1.10) şelinde bulunur. Burada 2 h olma üzere, f ( ) alınan SNR için PDF ifadesini göstermetedir. Elde edilen bu apasite, AWGN anal apasitesinin ortalama değerine eşit olduğundan ergodi apasite olara da isimlendirilir (Choudhury ve Gibson, 2007).

19 16 Bulunan anal apasitesi ifadesinden faydalanara sönümlemeli anal için spetral verimlili, E log (1 h ) log (1 ) f ( ) d (1.11) formülüyle hesaplanır Kanal parametreleri Kablosuz haberleşme analı araterize ediliren sönümleme etisinin belirlenmesi için genellile uyum zamanı (coherence time), Doppler yayılımı (Doppler spread), gecime yayılımı (delay spread) ve uyum bant genişliği (coherence bandwith) gibi anal parametrelerinden faydalanılır. Bu parametreler yardımıyla anal arateristilerinin farlı oşullar altında belirlenmesi için darbe cevabı ullanılır. Zaman boyutundai her parametrenin freans boyutunda bir arşılığı vardır. Fourier dönüşümü ullanılara anal arateristilerinin freans bağımlılığı ortaya çıarılabilir. Uyum zamanı ( T C ), anal arateristilerinin yani darbe cevabının değişmeden aldığı zaman aralığını belirler. Gönderilen sinyalin sembol süresi analın uyum zamanından üçüse sinyal anal üzerinde bozulmadan iletilebilir. Doppler yayılımı ( B D), gönderilen sinyal freansının sıfırdan farlı olduğu freans aralığını belirtir ve anal darbe cevabının ne derece hızlı değiştiğinin bir ölçüsüdür. Doppler yayılımı ile anal uyum zamanı ters orantılı olara değişir, T 1/ B (Biglieri ve ar., 1998). Ortamdai engeller sebebiyle ortaya çıan sinyal terarları, değişi yollardan farlı mesafeler at edere alıcıya farlı zamanlarda ulaşır. Alıcıya en eren ulaşan çolu yol bileşeni (genellile diret sinyal) ile en geç ulaşan çolu yol bileşeni arasındai zaman farı, gecime yayılımı ( C ) olara isimlendirilir. Gecime yayılımı ablosuz analda çolu yol bileşenlerinin sayısı haında bilgi verir. Uyum bant genişliği ( B C ), gönderilen sinyalin tüm freans bileşenlerinin anal üzerinden eşit azanç ve faz aymasıyla geçtiği (yani anal arateristilerinin aynı aldığı) freans aralığıdır. Uyum bant genişliği ile gecime yayılımı ters orantılı olara değişir, B 1/ (Biglieri ve ar., 1998). C C C D

20 Kanal sınıflandırma Sinyal ve anal parametreleri arasındai ilişiye bağlı olara ablosuz haberleşme sistemlerinde farlı özellite sönümleme arateristileri ortaya çıar. Sönümlemenin ablosuz sistemler üzerindei etisi inceleniren genellile analın zamanla değişim hızı ve freans seçiciliği diate alınara sınıflandırma yapılır. Ayrıca verici, alıcı ve/veya ortamda bulunan engellerin hareetli olmaları durumunda anal arateristileri değişir. Kablosuz haberleşme analı, sönümleme tipine göre çeşitli özellileri baımından Şeil 1.3 de sınıflandırılmıştır. Şeil 1.3. Sönümleme etisine göre ablosuz anal özellilerinin sınıflandırılması Gönderilen sinyalin genli ve fazının zamana göre değişim hızının incelenmesiyle, analın yavaş veya hızlı sönümlemeli olduğuna arar verilir. Kanal değişim hızının belirlenmesi için uyum zamanı ve Doppler yayılımı parametreleri ullanılır. Yavaş sönümlemeli anal için, sembol süresi anal uyum zamanından daha ısa ( T T ) ve sinyal bant genişliği Doppler yayılımından daha büyü ( B B ) S C değerdedir. Buna arşın hızlı sönümlemeli anal için, sembol süresi anal uyum zamanından daha uzun ( T T ) ve sinyal bant genişliği Doppler yayılımından daha S C üçü ( B B ) değere sahiptir. Verici, alıcı ve/veya ortamda bulunan engellerin S D hareet hızı arttığında Doppler yayılımı artar. Bu durumda anal uyum zamanı ısalır ve anal daha hızlı değişir. Yavaş ve hızlı sönümlemeli anal arateristileri, sembol süresi ve anal uyum zamanı parametreleri diate alınara Şeil 1.4 de gösterilmiştir. S D

21 18 Şeil 1.4. Yavaş ve hızlı sönümlemeli anal arateristileri (Wen, 2011) Gönderilen sinyalin genli ve fazının freansa göre değişiminin incelenmesiyle, analın düz sönümlemeli veya freans seçici olduğuna arar verilir. Kanal freans bağımlılığının belirlenmesi için uyum bant genişliği ve gecime yayılımı parametreleri ullanılır. Sinyal freans arateristiğinin orunduğu düz sönümlemeli (freans seçici olmayan) anal durumunda, sinyal bant genişliği anal uyum bant genişliğinden daha üçü ( B B ) ve sembol süresi anal gecime yayılımından daha uzun ( T ) S C değere sahiptir. Düz sönümlemeli anal özellileri dar bant sistemlerde görülür ve gönderilen sinyalin tüm spetral bileşenleri anal üzerinde aynı şeilde etilenir. Buna arşın freans seçici anal durumunda, gönderilen sinyalin spetral bileşenleri farlı genli azançları ve faz aymaları sebebiyle anal üzerinde bozulur. Freans seçici sönümleme için sinyal bant genişliği uyum bant genişliğinden büyü ( B B ) ve sembol süresi gecime yayılımından daha ısa ( T ) değerdedir. Freans seçici sönümleme geniş bant sistemlerde görülür ve alınan sinyal gönderilen sinyalin ço sayıda terarını içerir. Sinyal ve anal parametrelerine göre ablosuz anal üzerindei sönümleme etisi Şeil 1.5 de gösterilmiştir. S C S S C C Şeil 1.5. Sinyal ve anal parametrelerine göre sönümlemenin sınıflandırılması

22 Çeşitleme tenileri Kablosuz haberleşme sistemlerinin performansını olumsuz yönde etileyen en önemli problem daha önce açılandığı gibi çolu yol yayılımından aynalanan üçü ölçeli sönümlemenin alınan sinyal üzerinde bozucu etisidir. Sönümlemenin ortadan aldırılması amacıyla çeşitleme (diversity) tenilerinden faydalanılır. Çeşitleme tenilerinde, gönderilen sinyalin birden fazla sayıda terarının bağımsız sönümlemeli yollardan alıcıya ulaştırılması amaçlanır. Çeşitleme yolları ablosuz analın zaman, freans ve uzay boyutları ullanılara oluşturulabilir. Bağımsız sönümlemeli çeşitleme yollarının sayısı arttığında BER azalıren, alınan sinyalin alitesi yüselir (Tse ve Viswanath, 2005). Zaman çeşitlemesinde, sinyal anal uyum zamanından daha büyü aralılarla farlı zamanlarda gönderilir. Bunun için odlama (coding) ve serpiştirme (interleaving) ullanılır. Bu yöntemler yardımıyla bilgi önce odlanır ve daha sonra odlanan semboller zaman eseninde bağımsız sönümlemeye sahip farlı uyum periyotlarında serpiştirilir. Aynı sinyal birden fazla zaman diliminde gönderildiğinden, zaman çeşitlemesinde veri transfer hızı düşer. Ayrıca serpiştirme gecimeye sebep olur. Kanal uyum zamanının ço uzun ve/veya gecimeye arşı hassas olduğu sistemlerde zaman çeşitlemesi uygulanamaz (Tse ve Viswanath, 2005; Lozano ve Jindal, 2010). Freans çeşitlemesinde, sinyal anal uyum bant genişliğinden daha büyü aralılarla ayrılmış farlı anallardan gönderilir. Bağımsız sönümlemeli çeşitleme yollarının sayısı sistem bant genişliğiyle sınırlıdır. Bu şeilde birden fazla freans bandında, farlı freansta taşıyıcılar üzerinden sinyal gönderildiğinden daha fazla verici gücüne ihtiyaç duyulur. Freans seçici anal durumunda freans çeşitlemesi olaylıla ullanılabilir. Buna arşın düz sönümlemeli anal üzerinde freans çeşitlemesi belenen sonucu vermez (Goldsmith, 2005; Tse ve Viswanath, 2005). Anten (uzay) çeşitlemesinde, verici (Tx) ve/veya alıcı (Rx) üzerinde çolu antenler ullanılara farlı uzaylarda bağımsız sönümlemeli çeşitleme yolları oluşturulur. Oluşturulan bu yolların birbirlerinden bağımsız olabilmesi için taşıyıcı freansına bağlı olara anten dizisi elemanları arasında yarım dalga boyu ( / 2) boşlu bıraılmalıdır. Anten çeşitlemesi, Şeil 1.6 da gösterildiği gibi alıcı çeşitlemesi ve verici çeşitlemesi olma üzere ii farlı şeilde gerçeleştirilir. Verici üzerinde çolu antenler ullanılan çolu-giriş, te-çıış (multiple-input, single-output, MISO) sistemlerde, verici çeşitlemesi (uzay zaman odlama) yardımıyla aynı sinyal odlanara

23 20 çolu antenler üzerinden farlı zaman dilimlerinde gönderilir. Alıcı üzerinde çolu antenler ullanılan te-giriş, çolu-çıış (single-input, multiple-output, SIMO) sistemlerde ise, alıcı çeşitlemesi yardımıyla aynı sinyal çolu antenler üzerinden alınır. Şeil 1.6. MISO/SIMO sistemlerde verici/alıcı çeşitlemesi ullanımı Alıcı çeşitlemesinde bağımsız sönümlemeli çeşitleme yollarından alınan sinyaller, Şeil 1.7 de gösterildiği gibi doğrusal birleştirme tenileriyle birleştirilere sinyal gücü yüseltilir (Brennan, 1959; Proais, 1995). Doğrusal birleştirme işlemi için genellile uygulama olaylığı sunan seçmeli birleştirme (selection combining, SC) ve optimum sonuç veren masimum oran birleştirme (maximum ratio combining, MRC) tenileri tercih edilir (Alouini ve Goldsmith, 1999). Şeil 1.7. Alıcı çeşitlemesinde bağımsız sönümlemeli yollardan alınan sinyallerin birleştirilmesi 1.2. Çolu-Giriş Çolu-Çıış (MIMO) Sistemler Anten çeşitlemesi oluşturma için ablosuz bağlantının her ii ucunda çolu antenler ullanılırsa, aynı anda hem verici hem de alıcı çeşitlemesi gerçeleştirilir. Bu şeilde bağımsız sönümlemeli sinyal terarları birlite gönderilip alınara çeşitleme azancı artırılır. Şeil 1.8 de gösterilen çolu-giriş çolu-çıış (multiple-input, multipleoutput, MIMO) sistem modelinde, SISO sistem modelinde olduğu gibi zaman ve freans boyutları yanında ablosuz analın uzay boyutundan faydalanılır. Bu durumda

24 21 uzaysal çeşitleme (spatial diversity) ve uzaysal çoğullama (spatial multiplexing) şelinde ii farlı meanizma ullanılara ablosuz sistemlerin performansı artırılır. Uzaysal çeşitleme teniği ullanıldığında, bağlantı güvenilirliği yüseltilir ve böylece BER düşürülür. Buna arşın uzaysal çoğullama teniği ullanıldığında, mevcut bant genişliği ve verici gücü değiştirilmeden anal apasitesi artırılır (Paulraj ve ar., 2003). Şeil 1.8. Çolu-giriş çolu-çıış (MIMO) sistem modeli Uzaysal çoğullama teniğinde haberleşme analı birbirine paralel alt anallara ayrıştırılır. Benzer şeilde tüm veri aışı, alt veri aışlarına bölünere her veri aışı vericidei farlı bir antenden (yani farlı bir alt analdan) gönderilir (Shin ve Lee, 2003). Vericide bulunan her antenin alıcı üzerinde farlı bir uzaysal imzası vardır. Alıcı yeterli sinyal işleme gücüne sahipse, girişim önleme algoritmaları yardımıyla farlı alt anallar üzerinden gönderilen bağımsız veri aışlarını birbirinden ayırıp terar elde eder. Uzaysal çoğullama teniğinde veri aışı sayısı, alıcı ve verici üzerinde anten sayılarının minimumuna eşittir. Kablosuz bağlantının her ii ucunda anal durum bilgisi bulunması durumunda anal apasitesi, SISO sistem modeliyle arşılaştırıldığında alt veri aışı sayısı mitarınca artar (Bölcsei ve ar., 2006). Çolu antenler ullanılara anal apasitesinin artırılmasıyla ilgili teori çalışmalar il defa Winters (1987) tarafından başlatılmış olup daha sonra gereli hesaplamalar Foschini ve Gans (1998) ile Telatar (1999) tarafından gerçeleştirilmiştir. Uzaysal çoğullama ile anal apasitesinin artırılmasına yöneli çalışmalara örne olara BLAST (Bell Labs layered space-time techniques) planı verilebilir (Foschini ve ar., 1999). Uzaysal çeşitleme teniğinde alıcı ve verici üzerinde bulunan her anten çifti endi aralarında bağımsız bir bağlantı oluşturur. Çeşitleme derecesi olara isimlendirilen bağımsız sönümlemeli sinyal yolu sayısı, alıcı ve verici üzerinde bulunan anten sayılarının çarpımına eşittir. Anten sayısı arttıça daha fazla bağlantı ortaya çıacağından çeşitleme derecesi yüselir. Uzaysal çeşitleme ullanıldığında sabit SNR değerinde alınan sinyal üzerinde gözlemlenen BER düşeren, bağlantı güvenilirliği iyileştirilir ve haberleşme mesafesi uzar. Ayrıca, istenen BER daha düşü SNR değeri ile başarılacağından enerji tasarrufu sağlanır (Anderson, 2000; Diggavi ve ar., 2004;

25 22 Tse ve Viswanath, 2005; Bölcsei ve ar., 2006; Siam ve Krunz, 2009). Uzaysal çeşitleme ile apasite artışına örne olara Alamouti planı (Alamouti, 1998), uzayzaman afes odları (space-time trellis codes) (Taroh ve ar., 1998) ve digen uzayzaman blo odları (orthogonal space-time bloc codes) (Taroh ve ar., 1999) verilebilir. Çolu antenler ile donatılan vericide anal durum bilgisi bulunmadığında, optimal strateji verici çeşitlemesi yardımıyla uzay zaman odlaması (space time coding) ullanara gönderilen veri aışının odlanmasıdır (Taroh ve ar., 1998). Vericide anal durum bilgisi bulunduğunda ise zamanlama planı, güç ontrolü ve hüzme biçimlendirme gibi uyarlamalı (adaptive) teniler yardımıyla performans artışı sağlanabilir (Godara, 1997; Lozano ve Jindal, 2010). Te atmanlı MISO sistem modelinde hüzme biçimlendirme (beamforming) teniği yardımıyla verici üzerinde bulunan anten dizisi elemanlarına farlı ağırlılar verilere yönlü anten oluşturulur. Bu şeilde radyo dalgaları istenilen şeilde yönlendirilere alıcıda sinyal gücü masimum yapılır. Buna arşın MIMO sistem modelinde ço atmanlı hüzme biçimlendirme üzerinde ön odlama uygulanılara alıcı antenlerin tümünde sinyal gücü masimum yapılabilir (Foschini ve Gans, 1998). Kablosuz sistemlerde hüzme biçimlendirme teniği uygulanara apsama alanının genişletilmesi ve veri transferinde enerji tüetiminin azaltılması mümündür (Winters, 1998; Taroh ve ar., 1998). MIMO sistemlerde çeşitleme ve çoğullama azançlarının her iisi de aynı anda masimum yapılamaz. Çeşitleme ve çoğullama yardımıyla elde edilece azançlar arasında ödünleşim (trade-off) ortaya çıar (Zheng ve Tse, 2003). Bu sebepten yüse bağlantı güvenilirliği geretiren uygulamalarda uzaysal çeşitleme teniği tercih ediliren, yüse veri transfer hızına ihtiyaç duyulan uygulamalarda uzaysal çoğullama teniğinden faydalanılır (Lozano ve Jindal, 2010). Örneğin ablosuz algılayıcı ağlarda istenen sinyal alitesi sağlanamazsa, bağlantı güvenilirliği düşer ve gönderilen paetler başarılı olara alınamaz. Başarısız paet gönderimi durumunda algılayıcı düğümlerin boşa enerji tüetimi artar. Gönderilen paetlerin sinyal alitesinin yüseltilmesi için daha fazla gönderim gücü ile paet transferi gerçeleştirilebilir. Faat bu durumda da yine enerji tüetimi artacağından, ağın çalışma ömrü ısalır. Sonuç olara düşü enerji tüetimiyle başarılı paet gönderimi sağlama üzere uzaysal çeşitleme teniğinden faydalanılması, ablosuz algılayıcı ağlar için daha fazla önem taşır.

26 Hücresel Haberleşme Sistemleri Mimari yapısı baımdan ablosuz ağlar hücresel (cellular) ve tasarsız (ad hoc) ağlar olma üzere ii farlı sınıfta incelenir. Hücresel ağlarda geniş bir coğrafi bölge üzerinde yüse güçte radyo yayını yapma yerine maro ve miro ölçete hücreler oluşturulara her hücre içinde onumlandırılan baz istasyonları yardımıyla düşü güçte radyo yayını gerçeleştirilir. Kullanıcılar fizisel onumlarından bağımsız (mobil) veya sabit onumlu olma üzere ii farlı şeilde baz istasyonuyla haberleşir. Baz istasyonu hücre içindei ullanıcıların birbirleriyle bağlantı urabilmesi için röle görevi üstlenir ve aynı zamanda sistem aynalarını merezi (centralized) olara yönetir. Tasarsız ağlarda ise herhangi bir alt yapı olmadan ullanıcılar doğrudan birbirleriyle haberleşir. Her ullanıcı endi yönetim fonsiyonlarını endisi gerçeleştirdiğinden sistem aynaları dağını (distributed) olara yönetilir. Hücresel ağlar sabit alt yapı geretirmesine arşın ağ topolojisinin süreli aynı almasından dolayı etin ayna yönetimi gerçeleştirme avantajına sahiptir. Tipi bir hücresel haberleşme sistemi Şeil 1.9 da gösterilmiştir. Burada baz istasyonundan ullanıcılara doğru aşağı bağlantı (downlin) ve ullanıcılardan baz istasyonuna doğru yuarı bağlantı (uplin) olma üzere ii farlı analdan çift yönlü haberleşme gerçeleştirilir. Aşağı bağlantı, baz istasyonundan ullanıcılara bilgi aışı için yayın (broadcast) analı olara görev yapar. Buna arşın yuarı bağlantı, ullanıcılardan baz istasyonuna bilgi aışı için çolu erişim (multiple access) analı olara ullanılır. Şeil 1.9. Tipi bir hücresel haberleşme sistemi mimarisi

27 Çolu erişim tenileri Hücresel ağlarda haberleşme analının ullanıcılar arasında paylaşımı çolu erişim tenileri yardımıyla gerçeleştirilir. Çolu erişim tenileri farlı ullanıcılara ait sinyallerin birbirleriyle örtüşmeden blolar halinde birleştirilere anal üzerinden gönderilmesine imân sağlar. Böylece ullanıcıların birbirleri üzerinde girişim oluşturmayacağı bağımsız anallar oluşturulur. Hücresel haberleşme sistemlerinde ayna paylaşımı için Şeil 1.10 da gösterildiği gibi zaman, freans, od ve uzay bölmeli çolu erişim tenileri ullanılır. Şeil FDMA, TDMA, CDMA ve SDMA tenileri yardımıyla anal paylaşımı Zaman bölmeli çolu erişim (TDMA) teniğinde her ullanıcı endisine ait zaman dilimi içinde tüm bant genişliğini te başına ullanır. Freans bölmeli çolu erişim (FDMA) teniğinde her ullanıcıya endisine ait taşıyıcı freans ve bant genişliği atanır. Kod bölmeli çolu erişim (CDMA) teniğinde ullanıcılar tüm freans bandını süreli olara endi aralarında paylaşıren, eşsiz odlar yardımıyla birbirinden ayrılırlar. Alıcı tüm ullanıcıların odlarını bildiğinden gönderilen sinyal içinden ilgili odu çözere orijinal bilgiyi elde eder. Uzay bölmeli çolu erişim (SDMA) teniğinde baz istasyonu üzerinde yönlü antenler yerleştirilere ullanıcıların farlı uzaylarda birbirlerinden ayrılması ve baz istasyonuyla eş zamanlı haberleşmesi sağlanır. Bu durumda sistem bant genişliği farlı antenler üzerinden ullanıcılar arasında paylaştırıldığından, spetral verimlili TDMA ve FDMA tenilerine göre önemli ölçüde artar. SDMA teniğiyle oluşturulabilece hüzme sayısı verici üzerindei anten sayısıyla sınırlıdır. Bununla birlite SDMA teniğinden faydalanılması için tüm ullanıcıların anal durumlarının baz istasyonu tarafından bilinmesi gereir (Ajib ve Haccoun, 2005).

28 25 Hücresel ağlarda ullanıcıların endi aralarındai ayna paylaşımı yanında baz istasyonuyla ullanıcılar arasında çift yönlü haberleşmenin gerçeleştirilmesi başa bir ayna paylaşım problemini ortaya çıarır. Haberleşme analının aşağı ve yuarı bağlantı analları arasında paylaşımı çolama (duplexing) tenileri yardımıyla sağlanır. Freans bölmeli çolama (FDD) teniğinde tüm bant genişliği ii parçaya bölünere ii farlı freans bandı oluşturulur. Bunlardan biri aşağı bağlantı analı diğeri yuarı bağlantı analı için ullanılara tam çolama (full duplex) gerçeleştirilir. Zaman bölmeli çolama (TDD) teniğinde ise TDMA ullanılara oluşturulan her zaman dilimi endi içinde ii parçaya ayrılır. Bunlardan biri aşağı bağlantı analı, diğeri yuarı bağlantı analı için dönüşümlü olara ullanılara yarı çolama (half duplexing) elde edilir. FDD ve TDD tenileri ullanılara ablosuz analın aşağı ve yuarı yönde paylaşımı Şeil 1.11 de grafisel olara gösterilmiştir. Şeil Çolama tenileri yardımıyla analın aşağı ve yuarı bağlantı arasında paylaşımı Zamanlama planı Hücresel ağlarda ullanıcılar ile baz istasyonu arasında çolu erişim analının paylaşımı için genellile TDMA teniğinden faydalanılır. TDMA teniği ullanıldığında, her ullanıcı başa bir ullanıcının girişime maruz almadan endisine ayrılan zaman diliminde baz istasyonuyla haberleşme gerçeleştirir. TDMA teniğinde ullanıcıların anal erişimleri zamanlama (scheduling) planı yardımıyla düzenlenir. Zamanlama planı ullanıldığında sınırlı sistem aynalarının zaman boyutunda ullanıcılar arasında verimli şeilde paylaşımı, doğal olara bir optimizasyon problemi ortaya çıarır. Buna arşın FDMA ve CDMA tenileri ullanıldığında tüm ullanıcılar aynı zaman diliminde analı ullanabildileri için zamanlama planına gere duyulmaz.

29 26 Ağ içindei ullanıcıların hangi zaman diliminde anal erişimine izin verileceğini belirleyen zamanlama planı oluşturuluren genellile anal apasitesinin artırılması, enerji tüetiminin düşürülmesi, gecime süresinin azaltılması ve ullanıcılar arasında adalet sağlanması gibi servis alitesi ölçütleri diate alınır (Shin ve Lee, 2003). Zamanlama planı tasarımında en basit algoritma, ullanıcıların sırayla anal erişimine izin verilen dönüşümlü (round robin) zamanlama uygulanmasıdır. Dönüşümlü zamanlama yardımıyla elde edilen stati TDMA planında ullanıcıların periyodi olara anal erişimine izin verildiğinden masimum adaletlili (fairness) sağlanır. Faat anal erişiminde ullanıcıların anal durumları diate alınmadığından, dönüşümlü zamanlama planında spetral verimlili artışı gerçeleştirilemez. Spetral verimlili baımından avantaj sağlayaca bir zamanlama planı elde edilebilmesi için ağ içindei tüm ullanıcıların anal durumlarının anlı olara izlenmesi ve buna göre anal durum iyi olan ullanıcılara önceli verilmesi gereir Ço ullanıcı çeşitlemesi Hücresel mimarili ağlarda ullanıcıların baz istasyonuna göre onumları diate alındığında anal azanç dağılımları farlılı gösterir. Ayrıca sönümleme sebebiyle ullanıcıların anal oşulları rastgele değişir. Bu sebepten belirli bir zaman diliminde bazı ullanıcılar ötü anal oşullarına sahip olup bağlantıları esintiye uğraren, bazılarının ise sinyal seviyesi tepe değere yalaşır. Kullanıcıların anal oşullarının zamana ve onuma bağlı olara birbirinden farlı olmasından aynalanan bu eti ço ullanıcı çeşitlemesi (multiuser diversity) olara isimlendirilir. Ço ullanıcı çeşitlemesi il olara en iyi anal şartlarına sahip ullanıcıya servis verece şeilde Knopp ve Humblet (1995) tarafından yuarı bağlantı analı üzerinde uygulanmış, daha sonra Tse (1997) tarafından aşağı bağlantı analında benzer sonuçlar elde edilmiştir. Klasi çeşitleme tenilerinde olduğu gibi bağımsız sönümlemeli sinyal terarları oluşturulara bağlantı güvenilirliğinin artırılması yerine, ço ullanıcı çeşitlemesiyle ullanıcıların anal oşullarının farlılığından yararlanara anal apasitesinin artırılması hedeflenir. Ço ullanıcı çeşitlemesi azancı, anal üzerindei sönümlemenin dağılımına bağlıdır. Alıcı ile verici arasında doğrudan görüş hattı bulunan Rician sönümlemeli anal şartlarında sönümlemenin istatistisel dağılımı daha dar olduğundan, elde edilebilece ço ullanıcı çeşitlemesi azancı Rayleigh sönümlemeli anala göre düşütür.

30 Fırsatçı hüzme biçimlendirme Kullanıcıların anal durumlarının farlılığından yararlanara ço ullanıcı çeşitlemesi azancı sağlanması için anal üzerinde sönümleme etisi riti öneme sahiptir. Sönümlemeli analın değişim hızı arttıça, ullanıcılar tarafından alınan sinyallerin salınım aralığı genişler ve böylece ço ullanıcı çeşitlemesi azancı yüselir. Buna arşın yavaş sönümlemeli veya sönümleme görülmeyen AWGN anal oşullarında sinyal salınımları sınırlı alacağından ullanıcılar arasında çeşitleme oluşmaz. Bu durumda özellile baz istasyonuna yaın olan belirli ullanıcılar süreli olara diğerlerinden daha iyi anal şartlarına sahip olacağından, anal durumu ötü olan ullanıcıların anal erişiminde uzun gecime süreleri ortaya çıar. Yavaş sönümlemeli anal durumunda ço ullanıcı çeşitlemesinden faydalanma için Viswanath ve ar. (2002) tarafından önerilen fırsatçı (rastgele) hüzme biçimlendirme teniği ullanılır. Fırsatçı hüzme biçimlendirme yardımıyla ullanıcıların anlı azanç azançlarının salınım aralığının genişletilmesi Şeil 1.12 de grafisel olara gösterilmiştir. Şeil Fırsatçı hüzme biçimlendirme yardımıyla anal üzerinde yapay dalgalanmalar oluşturulması Fırsatçı hüzme biçimlendirme teniğinden faydalanma için baz istasyonu üzerinde çolu antenler yerleştirilir ve ullanıcıların anal durumları diate alınmasızın her antenden gönderilen sinyale rastgele ağırlılar verilere hüzme biçimlendirme işlemi gerçeleştirilir. Ağırlı atsayılarını içeren hüzme biçimlendirme vetörünün her zaman diliminde rastgele değiştirilmesiyle anal üzerinde yapay dalgalanmalar oluşturulur. Böylece yavaş sönümlemeli anal hızlı sönümlemeli anala dönüştürülere farlı ullanıcıların anal erişimlerine fırsat verilir.

31 28 Ço ullanıcı çeşitlemesi yardımıyla elde edilebilece anal apasitesi ullanıcı sayısının fonsiyonudur. Sistem içindei ullanıcı sayısı arttığında, her zaman diliminde anal durumu tepe değere yaın olan bir ullanıcı bulunma olasılığı artacağından ço ullanıcı çeşitlemesi azancı yüselir. Fırsatçı hüzme biçimlendirme uygulanara ullanıcıların anal durumlarının baz istasyonu tarafından bilindiği gerçe hüzme biçimlendirme (true beamforming) performansına ulaşılması, her zaman diliminde anal durumu seçilen hüzme biçimlendirme vetörüyle eşleşen bir ullanıcı bulunmasına bağlıdır. Bu sebepten fırsatçı hüzme biçimlendirme uygulanara performans artışı sağlanması, sistem içinde yeterli sayıda ullanıcı bulunmasına bağlıdır Fırsatçı zamanlama planı Veri transferi paet gönderimine dayanan ablosuz haberleşme sistemlerinde TDMA teniği ullanılara zamanlama planı oluşturuluren, her zaman diliminde daha iyi anal oşullarına sahip ullanıcıya önceli verilirse spetral verimlili baımından avantaj sağlanır. Fırsatçı olara nitelendirilen bu tarz zamanlama planı oluşturulduğunda bant genişliği daha verimli ullanılacağı için anal apasitesi dönüşümlü zamanlama planına göre artar (Kularni ve Rosenberg, 2003; Gyasi-Agyei ve Seong-Lyun, 2006). Dönüşümlü ve fırsatçı zamanlama planları yardımıyla ullanıcıların anal erişimlerinin düzenlenmesi Şeil 1.13 de grafisel olara gösterilmiştir. 1 EVDO, HSDPA ve WiMAX gibi yeni nesil haberleşme sistemlerinde spetral verimlili odalı servis alitesinin iyileştirilmesi amacıyla fırsatçı zamanlama planından faydalanılmatadır (Racic ve ar., 2008). Şeil Dönüşümlü ve fırsatçı zamanlama planları yardımıyla TDMA teniğinin uygulanması

32 29 Kablosuz ağlarda fırsatçı zamanlama planı uygulanabilmesi için öncelile ullanıcıların endi anal durumlarını bilmesi gereir. Kullanıcıların anal durumlarının belirlenmesi için genellile baz istasyonu tarafından aşağı bağlantı analında periyodi olara pilot sinyal yayınlanır. Yayınlanan pilot sinyal üzerinde ullanıcılar tarafından sinyal alitesi ölçümü yapılara anal durum bilgisi olara isimlendirilen anlı anal azançları belirlenir. TDD teniğinden faydalanılan sistemlerde anal arşıtlı prensibi gereğince aşağı bağlantı için elde edilen anal durum bilgisi ullanılara, baz istasyonu tarafından yuarı bağlantı analında zamanlama planı oluşturulabilir. Bu şeilde fırsatçı zamanlama planı oluşturulması üzerinde son yıllarda ço sayıda çalışma yapılmıştır (Liu ve ar., 2001; Liu, ve ar., 2003; Sharif ve Hassibi, 2007). Kablosuz ağlarda fırsatçı zamanlama planı merezi ve dağını olma üzere ii farlı şeilde oluşturulabilir (Lin, 2009). Merezi fırsatçı zamanlama planında atif ullanıcıların anal durumları baz istasyonu üzerinde çalıştırılan bir zamanlayıcı (scheduler) tarafından süreli taip edilir. Bunun gerçeleşebilmesi için ullanıcılar sahip olduları anlı anal durum bilgisini yuarı bağlantı analından geri beslemeyle baz istasyonuna gönderirler. Baz istasyonu tarafından her zaman diliminde en iyi anal oşullarına sahip ullanıcıya önceli verilir. Bu şeilde oluşturulan müemmel zamanlama planıyla ço ullanıcı çeşitlemesinden masimum azanç elde edilir. Merezi zamanlama planı hem aşağı hem de yuarı bağlantı anallarında uygulanabilir. Aşağı bağlantı analında fırsatçı zamanlama planı uygulanırsa, baz istasyonu en iyi anal azancına sahip ullanıcıya paet gönderir. Yuarı bağlantı analında fırsatçı zamanlama planı uygulanırsa, imliği baz istasyonu tarafından yayınlanan ullanıcı sahip olduğu paeti baz istasyonuna gönderir. Özellile ullanıcı sayısının ço fazla olduğu ve/veya analın ço hızlı değiştiği uygulamalarda, merezi zamanlama planı aşırı geri besleme yüü ve uzun gecime sürelerine sebep olacağından belenen performansı sağlamaz (Gyasi-Agyei ve Seong-Lyun, 2006). Dağını fırsatçı zamanlama planında ise ullanıcılar üzerinde dağıtılmış anal durum bilgisi (decentralized CSI) ullanılır (Yao ve Giannais, 2005; Yu ve Giannais, 2006; Wang ve ar., 2009). Bu şeilde paet gönderim ararları merezi otoriteden bağımsız olara ullanıcıların endileri tarafından verilir. Sistem içindei her ullanıcı endi anal durumunun farında olsa da diğer ullanıcıların anal durumlarından haberdar değildir (Qin ve Berry, 2003). Dağını fırsatçı zamanlama planı oluşturma için genellile eşi seviyesi tabanlı paet gönderimi gerçeleştirilir (Ge, 2008). Kullanıcılar aşağı bağlantı analında

33 30 yayınlanan pilot sinyal üzerinden elde ettileri anal durum bilgisini, önceden belirlenen eşi seviyesiyle arşılaştırara paet gönderim ararı verir (Coronel ve ar., 2005). Periyodi geri beslemeye ihtiyaç olmaması dağını fırsatçı zamanlama planında önemli bir avantaj sağlar. Bu şeilde merezi otorite olmadan zamanlama planı oluşturuluren arşılaşılan en önemli problem, birden fazla ullanıcının eş zamanlı paet gönderimi sonucunda meydana gelen çarpışma (collision) olayıdır. Çarpışma durumunda gönderilen paetler birbirleri üzerindei girişim etisinden dolayı başarılı şeilde alınamaz. Gelişmiş sinyal işleme tenileri ullanılara alıcıya çolu paet alımı (multi-pacet reception) yeteneği azandırılması yönünde literatürde baz çalışmalar yapılmıştır (Ghez ve ar., 1989; Li ve Dai, 2005; Lu ve ar., 2012). Faat yine de baz istasyonunun bu armaşı algoritmaları çalıştırabilece sinyal işleme yeteneğine ve yeterli işlem süresine sahip olduğu uygulamaların sayısı olduça sınırlıdır. Bu sebepten dağını fırsatçı zamanlama planı oluşturuluren başarılı paet gönderim olasılığını masimum yapaca şeilde eşi seviyesinin optimizasyonu önemli bir problem teşil eder Tezin Motivasyonu Gelenesel ablosuz ağlar için öncelili tasarım hedefi sınırlı bant genişliğinin daha verimli ullanılması ve anal apasitesinin artırılmasıdır. Hücresel mimarili ablosuz ağlarda ço ullanıcı çeşitlemesinden faydalanara oluşturulan fırsatçı zamanlama planıyla spetral verimlili artışı sağlanabilir. Bunun yanında çolu anten tenileri ullanılara ablosuz bağlantı güvenilirliği ve spetral verimlili iyileştirilebilir. Kablosuz algılayıcı ağlar için tasarım hedefi ise enerji verimliliğinin artırılmasıdır. Bununla birlite özel amaçlı bazı uygulamalarda enerji tüetiminin düşürülmesi yanında spetral verimlili artışı önem azanır. Bu tez çalışmasının temel motivasyonu, algılayıcı düğümlerin enerji ısıtlamaları diate alınara ço ullanıcı çeşitlemesi, fırsatçı zamanlama ve çolu antenler yardımıyla ablosuz algılayıcı ağlarda spetral verimlili artışı sağlayaca fırsatçı paet gönderim planı tasarımıdır. Burada ullanılan fırsatçı tanımlaması, önerilen planın algılayıcı düğümlerin anal oşullarının değişiminden faydalanma yeteneğine sahip olduğunu vurgulamatadır. Tez içinde hücresel mimarili ablosuz algılayıcı ağın bir hücresi göz önünde tutulara, geliştirilen plan yardımıyla yuarı bağlantı analında algılayıcı düğümlerden ontrol düğümüne paet gönderimi düzenlenmeye çalışılmıştır. Algılayıcı düğümlerden

34 31 ontrol düğümüne periyodi geri besleme aşırı enerji tüetimine sebep olacağından, ablosuz algılayıcı ağlarda merezi fırsatçı zamanlama planı ullanılamaz. Dolayısıyla algılayıcı düğümlerin paet gönderimini organize etme için eşi seviyesi tabanlı dağını fırsatçı zamanlama planı tasarımı gerçeleştirilmiştir. Geliştirilen yöntem ile anal durumu önceden belirlenen eşi seviyesinin üzerinde olan algılayıcı düğümlerin paet gönderimine izin verildiğinden, gönderilen başarılı paetlerin sinyal alitesi önemli ölçüde artırılmıştır Tezin Literatüre Katısı Kablosuz ağlarda anal apasitesi, gönderim gücü ve bağlantı zamanlaması ile ilgili düzenlemeler paet gönderim planı (stratejisi) olara isimlendirilir. Önerilen paet gönderim planı için temel başarı ölçütü fırsatçı zamanlama yardımıyla spetral verimlili ve dolayısıyla anal apasitesinin artırılmasıdır. Bununla birlite alınan başarılı paetlerin sinyal alitesi yüseltilere bağlantı güvenilirliği artırılmaya çalışılmıştır. Bu tez çalışması apsamında elde edilen analiti ifadeler ve bilgisayar benzetimi yardımıyla aşağıda belirtilen sorulara cevap aranmıştır: 1. Algılayıcı düğümler üzerinde dağıtılmış anal durum bilgisi ullanılara oluşturulan dağını fırsatçı zamanlama planı için başarılı paet gönderim oranını masimum yapaca optimum eşi seviyesi istatistisel olara nasıl belirlenir? 2. Önerilen fırsatçı zamanlama planı ullanılara elde edilen sınırlı ço ullanıcı çeşitlemesi azancıyla, dönüşümlü zamanlama planına göre spetral verimlili ve başarılı paetlerin sinyal alitesi baımından avantaj sağlanabilir mi? 3. Önerilen fırsatçı zamanlama planında spetral verimlili odalı eşi seviyesi optimizasyonu enerji verimliliği ve adaletlili gibi diğer performans ölçütlerini ne şeilde etiler? 4. Önerilen fırsatçı zamanlama planında algılayıcı düğümler üzerinde çolu antenler ullanılmasıyla elde edilen MIMO sistem modeliyle ço ullanıcı çeşitlemesi azancı yanında uzaysal çeşitleme teniğinden faydalanara spetral verimlili ve başarılı paetlerin sinyal alitesi baımından estra azanç sağlanabilir mi?

35 32 Gerçeleştirilen tez çalışmasının literatüre atısı şu ana başlılar altında aşağıda listelenmiştir: 1. Kablosuz algılayıcı ağlarda dağını fırsatçı zamanlama planı yardımıyla yuarı bağlantı analında paet gönderimi düzenlenmiştir. 2. Önerilen eşi seviyesi tabanlı paet gönderim planında çarpışma ve boş dinleme nedeniyle algılayıcı düğümlerin boşa harcadıları enerji ve spetral verimlili aybını minimuma indirme amacıyla başarılı paet gönderim olasılığını masimum yapaca eşi seviyesi istatistisel yöntemler ullanılara optimize edilmiştir. 3. Oluşturulan dağını fırsatçı zamanlama planında her ne adar algılayıcı düğümler üzerinde dağıtılmış anal durum bilgisinden faydalanılara sınırlı ço ullanıcı çeşitlemesi azancı elde edilse de, yeterli sayıda algılayıcı düğüm ile dönüşümlü zamanlama planına göre spetral verimlili artışı sağlanacağı benzetim sonuçları ve analiti hesaplamalar yardımıyla gösterilmiştir. 4. Algılayıcı düğümler üzerinde çolu antenler ullanılmasıyla elde edilen MIMO sistem modelinde ço ullanıcı çeşitlemesi azancı yanında uzaysal çeşitleme azancından faydalanara te antenli sistem modeline göre hem gönderilen paetlerin sinyal alitesinin yüseltilmesiyle bağlantı güvenilirliğinin artırılacağı hem de spetral verimlili baımından iyileştirme sağlanacağı benzetim sonuçları ve analiti hesaplamalar yardımıyla gösterilmiştir Temel Varsayımlar Önerilen paet gönderim planının tasarımında basit ve açı bir çerçeve oluşturma amacıyla aşağıda verilen varsayımlardan faydalanılmıştır: Kablosuz analın düz sönümlemeli olduğu varsayılmıştır. Hücresel ağın te bir hücresi düşünülere omşu hücreler arası girişim gürültü olara değerlendirilmiştir. Önerilen plan için öngörülen anal apasitesine ulaşma için algılayıcı düğümlerin uyarlamalı odlama ve modülasyon (adaptive coding and modulation) gerçeleştirece yeterli sinyal işleme yeteneğine sahip olduları abul edilmiştir.

36 33 Algılayıcı düğümlerin yayınlanan pilot sinyal üzerinden endi anal durumlarını her zaman diliminde hatasız olara elde ettileri düşünülmüştür. Algılayıcı düğümlerin her zaman diliminde ontrol düğümüne gönderece paete sahip olduları ve gönderilen paetlerin ontrol düğümü tarafından hatasız olara alındığı varsayılmıştır Tezin Organizasyonu Tez çalışması beş bölümden oluşmatadır. Birinci bölümde, bu tez çalışması ile önerilen paet gönderim planı için temel oluşturan ablosuz haberleşme analı, çolu anten tenileri ve hücresel haberleşme gibi onular haında bilgi verilere gerçeleştirilen çalışmanın motivasyonu ve literatüre atısı açılanmıştır. İinci bölümde, üzerinde çalışılan ablosuz algılayıcı ağlar onusu geniş apsamda incelenmiştir. Kablosuz algılayıcı ağlar için protool yığını, haberleşme protoolleri ve atmanlar arası tasarım gibi bu tez çalışmasının odalandığı anahtar onular üzerinde literatür araştırmasına dayanan temel bilgilere yer verilmiştir. Üçüncü bölümde, hücresel mimarili ablosuz algılayıcı ağlar için yuarı bağlantı analında paet gönderimini düzenleme için atmanlar arası tasarım yalaşımıyla tasarlanan dağını fırsatçı zamanlama planı anlatılmıştır. Bu apsamda SNR ve normalleştirilmiş SNR (normalized SNR, NSNR) metrileri ullanılara paet gönderim ararlarını belirleyen eşi seviyesi optimizasyonu onusuna açılı getirilmeye çalışılmıştır. Ayrıca önerilen planın başarısı elde edilen analiti ifadeler ve istatistisel benzetim yoluyla test edilmiştir. Dördüncü bölümde, önerilen paet gönderim planı algılayıcı düğümler üzerinde çolu antenler ullanılan MIMO sistem modeli üzerinde genişletilere uzaysal çeşitleme yardımıyla elde edilen performans artışı analiti ifadeler ve istatistisel benzetim ile gösterilmiştir. Son olara beşinci bölümde, gerçeleştirilen tez çalışması ile ilgili genel değerlendirme yapılara ve gelecete yapılabilece çalışmalara ışı tutulmuştur.

37 34 2. KABLOSUZ ALGILAYICI AĞLAR Kablosuz algılayıcı ağlar belirli bir coğrafi bölge üzerinde fizisel ve çevresel büyülüler haında gerçe zamanlı bilgi toplama amacıyla çalışma sahası üzerinde dağıtılmış ço sayıda algılayıcı düğümden oluşur. Son yıllarda sayısal eletroni devreler, miro-eletro-meani sistemler (MEMS) ve ablosuz haberleşme alanlarında sağlanan gelişmeler üçü boyutlu, az enerji harcayan ve düşü maliyetli algılayıcı düğüm tasarımına imân sağlamıştır. Algılayıcı düğümler endi başlarına bağımsız ayna görevi üstlenere çevresinden veri toplaren aynı zamanda Şeil 2.1 de gösterildiği gibi yaınında bulunan diğer algılayıcı düğümlerden gönderilen verilerin çıış düğümüne (sin) atarılmasında röle görevi üstlenir. Çıış düğümü ağ geçidi görevi üstlenere topladığı verileri ablolu (internet) veya ablosuz (GSM, uydu) olara uzatai ontrol merezinde bulunan ullanıcıya atarır (Ayildiz ve ar., 2002). Şeil 2.1. Kablosuz algılayıcı ağlar ullanılara dağını algılama (Ayildiz ve Vuran, 2010) Kablosuz algılayıcı ağlar otomati algılama, gömülü hesaplama ve ablosuz ağ oluşturma görevlerinin üçü boyutta, ucuz ve düşü enerji tüeten cihazlar üzerinden gerçeleştirilmesine imân sağlar. Genel amaçlı bir algılayıcı düğüm örneği Şeil 2.2 de gösterilmiştir. Bireysel olara yeteneleri olduça sınırlı olan algılayıcı düğümler aynı amaç doğrultusunda iş birliği yapaca şeilde ablosuz ağ yardımıyla birbirleriyle bağlandılarında son derece güçlü ve esne bir yapı ortaya çıar. Bu şeilde geniş bir çalışma sahası üzerinde baştanbaşa dağını algılama görevi olaylıla gerçeleştirilebilir. Algılayıcı düğümler saha üzerinde planlı olara veya rastgele onumlandırılır. İhtiyaç duyulan algılayıcı düğüm sayısı ilgilenilen çalışma sahasının büyülüğüne ve uygulamanın geretirdiği hassasiyete bağlı olara değişili gösterir.

38 35 Şeil 2.2. Crossbow firması tarafından üretilen MICAz algılayıcı düğümü Kablosuz algılayıcı ağlar yardımıyla gerçeleştirilen uygulamalarda genellile çalışma sahasının uzatan izlenmesi amaçlanmatadır. Algılayıcı düğümlerin fizisel boyutları ve maliyetlerinin gidere düşmesiyle birlite algılama, hesaplama ve haberleşme ihtiyacı duyulan pe ço alanda ablosuz algılayıcı ağlar yaygın olara ullanılmatadır (Al Ameen ve ar., 2010). Bu uygulamalara örne olara: Aseri alanda; dost/düşman birlilerin taibi, nüleer ve biyoloji saldırı alarmı, Çevresel alanda; hava irliliği, orman yangını, sel ve deprem gibi doğa olaylarının önceden algılanması, Sağlı alanında; dotor ve hasta taibi, an basıncı, EKG gibi hayati öneme sahip verilerin uzatan izlenmesi, Trafi alanında; taşıt izleme, hız tespiti, sinyalizasyon yönetimi, trafi sıışılığı ve arayolu üzerinde tehlielerin önceden algılanması, Endüstriyel alanda; oruyucu baım, risli ortamların gözetlenmesi, Tarım alanında; meteoroloji verilerinin izlenmesi, sulama, ilaçlama ve gübreleme yönetimi verilebilir (Ayildiz ve ar., 2002; Mahali, 2007) Algılayıcı Düğüm Mimarisi Genel amaçlı bir algılayıcı düğüm mimarisinde Şeil 2.3 de gösterildiği gibi güç birimi, hesaplama birimi, algılama birimi ve haberleşme birimi olma üzere dört temel birim yer alır. Ayrıca uygulamaya bağlı olara algılayıcı düğümler üzerinde üresel onumlandırma sistemi (global positioning system, GPS) ve onum değiştirici (mobilizer) gibi birimlere yer verilir (Ayildiz ve ar., 2002; Tila ve ar., 2002).

39 36 Şeil 2.3. Algılayıcı düğüm mimarisinin temel bloları Güç birimi algılayıcı düğüm üzerindei diğer tüm birimlerin enerji aynağı olara görev yapar. Algılayıcı düğümler enerji ihtiyaçlarını üzerlerinde bütünleşi olara bulunan pil yardımıyla sağladığından sistemin çalışması için herhangi bir ablolama alt yapısına ihtiyaç duyulmaz. Çoğu uygulamada enerjisi tüenen algılayıcı düğümlere ait pillerin değiştirilmesi veya yeniden şarj edilmesi mümün değildir. Güneş paneli gibi harici güç üreteçleriyle enerji desteği sağlansa bile ullanılan pillerin apasitesi sınırlı olduğundan algılayıcı düğümlerin çalışma ömürlerinin uzatılması için algılama, hesaplama ve haberleşme görevleri yerine getiriliren güç tüetiminin minimuma düşürülmesi büyü önem taşır (Shih ve ar., 2004). Algılama birimi üzerinde ortamdai fizisel büyülüler haında bilgi toplama yeteneğine sahip bir veya daha fazla algılayıcı bulunur. Her algılayıcı sıcalı, nem, ışı gibi belirli bir fizisel büyülüğün algılanmasından sorumludur. Algılayıcının ürettiği sinyaller analog dijital dönüştürücü (ADC) üzerinden hesaplama birimine atarılır. Hesaplama birimi algılayıcı düğüm üzerinde yürütülen tüm yönetim fonsiyonlarından sorumludur. Fizisel boyutlarının üçü olması sebebiyle algılayıcı düğümler üzerinde genellile çalışma freansı (< 20 MHz) ve hafıza apasitesi (< 128 KB ROM + 10 KB RAM) sınırlı, düşü maliyetli bir miroontrolör ullanılır. Geretiğinde algılanan fizisel büyülülere ait ham verilerin doğrudan çıış düğümüne gönderilmesi yerine algılayıcı düğüm üzerinde loal sinyal işleme gerçeleştirilir. Bu durumda hesaplama biriminde harcanan enerji artaren önemsiz paetler daha algılayıcı düğüm üzerinde elenere geresiz ağ trafiği düşürülür ve haberleşme biriminde boşa enerji tüetimi azaltılır (Aboelaze ve Aloul, 2005).

40 37 Algılayıcı düğümler haberleşme birimi yardımıyla ağa bağlanır. Şeil 2.4 de gösterildiği gibi gönderilece bit dizisi formatında veriler algılayıcı düğüm tarafından paetlenere alıcı/verici (transceiver) üzerinden radyo freans (RF) sinyallerine ve benzer şeilde dışarıdan alınan RF sinyalleri yine alıcı/verici üzerinden bit dizisi halinde veri paetlerine dönüştürülür. Algılayıcı düğümler arasında veri transferi genellile olduça düşü hızlarda ( Kbps) gerçeleştirilir. Şeil 2.4. Haberleşme biriminde alıcı/verici devresi fonsiyonel blo diyagramı Haberleşme birimi endi içinde barındırdığı modülasyon, filtreleme, demodülasyon ve uvvetlendirici devrelerinden dolayı olduça armaşı bir yapıya sahiptir. Şeil 2.5 de gösterildiği gibi algılayıcı düğümler üzerinde en fazla enerji haberleşme biriminde tüetilir (Ayildiz ve Vuran, 2010). Algılayıcı düğümlerin çalışma ömrünün artırılması için başta haberleşme birimi olma üzere algılama ve hesaplama birimlerinde enerji verimliliğini artıraca iyileştirmelere ihtiyaç duyulur (Yao ve Giannais, 2005).

41 38 Şeil 2.5. MICAz algılayıcı düğüm üzerinden harcanan gücün analizi Haberleşme biriminde enerji tüetiminin aynağında sinyal gönderimi için güç uvvetlendirici üzerinde harcanan enerji ve sinyal işleme için diğer devreler üzerinde harcanan enerji vardır (Cui ve ar., 2004). Mesafe uzadığında sinyal gönderimi için güç uvvetlendirici üzerinde tüetilen enerji artacağından, ablosuz algılayıcı ağlarda genellile ısa mesafeli haberleşme tercih edilir. Bu şeilde çıış düğümü algılama bölgesine uzata bulunsa bile ço atlamalı (multi-hop) haberleşme yapılara ağ üzerinde veri transferi gerçeleştirilir. Her ne adar ço atlamalı haberleşme durumunda güç uvvetlendirici üzerinde düşü enerji tüetimi gerçeleştirilse de aynatan gönderilen verilerin röle görevi üstlenen düğümler tarafından atarıldığı her istasyonda sinyal alımı, yönlendirme ve sinyal gönderimi için haberleşme biriminde yer alan devreler üzerinde estra enerji tüetimi ortaya çıar. Ayrıca anal üzerinde daha fazla reabet, girişim ve gecime görülür (Li ve Dai, 2005). Buna arşın algılayıcı düğümlerden çıış düğümüne doğrudan paet gönderimi gerçeleştirilen te atlamalı (single-hop) haberleşme durumunda güç uvvetlendirici üzerinde enerji tüetimi artsa da gönderilen paetlerin yönlendirilmesi geremediğinden sinyal işleme için estra enerji tüetilmez (Cui ve ar., 2005; Sharifhani ve Beaulieu, 2009). Te atlamalı haberleşme gerçeleştirildiğinde algılayıcı düğümler üzerinde tüetilen toplam enerjinin büyü bölümü güç uvvetlendirici üzerinde sinyal gönderimine aittir. Uzun mesafeli sinyal gönderimi için enerji tüetimini düşürme amacıyla izlenebilece en etin strateji, bağlantı güvenilirliğinin artırılmasıyla fazladan enerji tüetimine ihtiyaç duyulmadan spetral verimlili artışı sağlanmasıdır. Kablosuz haberleşme sistemlerinde bağlantı güvenilirliğinin artırılması için çeşitleme teniği anahtar rol oynar (Haenggi, 2004; Liu ve ar., 2005; Zhao ve ar., 2007).

42 39 Kablosuz algılayıcı ağlarda algılayıcı düğümler üzerinde çolu antenler ullanılması durumunda anten çeşitlemesi teniğinden faydalanara paet gönderimi için harcanan enerji azaltılabilir (Siam ve Krunz, 2009). Ayrıca algılayıcı düğümler üzerinde yönlü antenler ullanılara enerji verimliliği artışı sağlayaca şeilde veri transferi gerçeleştirilebilir (Zhang ve Datta, 2005). Haberleşme biriminde enerji tüetimini düşürme için en fazla ullanılan meanizmalardan biri de veri transferine gere duyulmayan zamanlarda alıcı/verici devresi apatılara algılayıcı düğümlerin görev çevrimi (duty cycling) içinde uyu (sleep) moduna alınmasıdır. Uyu moduna geçere ağdan ayrılan ve uyanara terar ağa bağlanan algılayıcı düğümler sebebiyle ağın fizisel ve mantısal topolojisi süreli olara değişir. Durum geçişi sürecinde algılayıcı düğümlerin enerji tüetimi, haberleşme için tüetilen enerjiden daha fazladır. Bu sebepten enerji verimli haberleşme için algılayıcı düğümlerin sı sı uyutulup uyandırılmasından açınılır (Al Ameen ve ar., 2010). Bununla birlite ihtiyaç duyulmayan verilerin transferi için algılayıcı düğümlerin uyudan uyandırılmasını önleme amacıyla ağ üzerinde veriye dayalı (data driven) paet gönderimi gerçeleştirilebilir (Anastasi ve ar., 2009). Kablosuz algılayıcı ağlarda çalışma sahasından toplanan verilerin çıış düğümüne ulaştırılmasında enerji verimliliği, adaletlili ve spetral verimlili gibi ölçütler diate alınara haberleşme protoolü tasarımı yapılır. Haberleşme protoolü anal üzerinden gönderilen verilerin güvenilir şeilde alıcıya ulaştırılması, hata ontrollerinin gerçeleştirilmesi, başarılı olara alındığının bildirilmesi gibi rutin işlemleri tanımlayan urallar topluluğudur. Kablosuz algılayıcı ağların sahip olduğu potansiyel gücün gerçeleştirilen uygulamalarda ortaya çıarılması algılayıcı düğümler arasında veri atarımını düzenleyece etili haberleşme protoolü tasarımına bağlıdır Ağ Mimarisi ve Protool Yığını Haberleşme protoolü tasarımında bağımsız atmanlara ayırma düşüncesi, modüler tasarım yapma amacıyla farlı avramsal atmanların fonsiyonel olara birbirinden ayrılması anlamına gelir (Dimić ve ar., 2004). Kablosuz algılayıcı ağlar için basitleştirilmiş protool yığını fizisel atman, veri bağlantı atmanı, ağ atmanı, taşıma atmanı ve uygulama atmanı olma üzere beş atmandan oluşur (Ayildiz ve Vuran, 2010).

43 Fizisel atman Fizisel atman (physical layer) ablosuz bağlantı üzerinde işlenmemiş (ham) bit dizisi aışının güvenli şeilde transferinden sorumludur. Kablosuz algılayıcı ağlarda anal üzerindei bozucu etenler sebebiyle fizisel atman haberleşme protoolü tasarımında önemli rol oynar. Freans seçimi, taşıyıcı freans üretimi, modülasyon, anal odlama, güç ontrolü ve çolu anten tenileri (çeşitleme, çoğullama) gibi işlemler fizisel atman üzerinde gerçeleştirilir. Algılayıcı düğümlerin enerji tüetimi fizisel atman özellileriyle doğrudan bağlantılıdır. Modülasyon planı, veri hızı, verici iletim gücü ve uyu modu gibi fatörler fizisel atmanda güç tüetimini etiler. Kablosuz algılayıcı ağların çalışma ömrünün uzatılması için fizisel atman üzerinde verimlili artışı sağlayaca çeşitli düzenlemelere ihtiyaç duyulur Veri bağlantı atmanı Veri bağlantı atmanı (data lin layer) girişim ve gürültü nedeniyle bozulmaya açı bit dizisi aışını daha üst seviyeli atmanlarda hatalardan etilenmeyen veri aışına dönüştürür ve aynı zamanda veri trafiğinin düzenlemesinden sorumludur. Kendi içinde loji bağlantı ontrolü (LLC) ve ortam erişim ontrolü (MAC) şelinde ii alt atmandan meydana gelir. LLC atmanı fizisel analdan bağımsız olara adresleme, çoğullama, çerçeve algılama, aış ontrolüyle birlite gecime süresinin düşürülmesi, hata ontrolü, yeniden paet gönderimi ve şifreleme gibi işlemlerden sorumludur. MAC atmanı ise sistem performansını masimum yapaca şeilde mevcut aynaların verimli paylaşımından sorumludur. Bu sebepten algılayıcı düğümlerin anal erişimleri ve paet gönderimleri doğrudan MAC atmanı üzerinde ontrol edilir. Kablosuz analın algılayıcı düğümler arasında paylaşımı için FDMA teniği ullanıldığında algılayıcı düğüm maliyeti yüseliren, CDMA teniği ullanılması durumunda daha fazla hesaplama yapılacağından algılayıcı düğümlerin enerji tüetimi artar. Bu sebepten anal paylaşımı için TDMA teniğinden faydalanılır (Ayildiz ve Vuran, 2010). TDMA teniği ile merezi zamanlama planı oluşturulduğunda algılayıcı düğümlerin anal durumlarının anlı değişiminden faydalanara MAC atmanında performans artışı sağlanabilir. Dağını zamanlama planı oluşturulduğunda ise çarpışmaya sebep olan eş zamanlı paet gönderimlerinin ortadan aldırılması için eşi seviyesi optimizasyonu gerelidir (Miao ve ar., 2009).

44 Ağ atmanı Ağ atmanı (networ layer) farlı ağ topolojileri için algılayıcı düğümler tarafından toplanan verilerin ağ üzerinde çıış düğümüne adar uçtan uca taşınması ve baımından sorumludur. Komşu düğümlerin belirlenmesi ve yönlendirme gibi görevler ağ atmanı üzerinde yerine getirilir. Kayna görevi üstlenen algılayıcı düğüm tarafından gönderilen paetin hedeftei çıış düğümüne ulaşması için izlenmesi gereen yol ağ atmanında görev yapan yönlendirme protoolü (routing protocol) tarafından belirlenir. Etili yönlendirme protoolü tasarımıyla dinami ayna paylaşımı gerçeleştirilere ablosuz algılayıcı ağlarda anal apasitesi artışı sağlanabilir Taşıma atmanı Taşıma atmanı (transport layer) uçtan uca veri transferi sürecinde yeniden gönderim, hata düzeltme, yeniden sıralama ve aış ontrolünden sorumludur. İnternet veya başa bir harici ağ üzerinden sisteme erişim sağlanacasa taşıma atmanı önem azanır Uygulama atmanı Uygulama atmanı (application layer) ayna odlama/od çözme ve hata salama fonsiyonlarını yerine getirir. Ayrıca bağımsız uygulama geliştirme ve haberleşme için orta çatı sağlar IEEE ve ZigBee Standartları Kablosuz yerel alan ağlarında uyum problemlerinin çözümü için IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) tarafından 1997 yılında standart grubu oluşturulmuştur. IEEE standardı haberleşme apasitesi ve servis alitesinin artırılmasına odalanılara geliştirildiği için enerji tüetimi ısıtlanmış ablosuz ağlarda belenen performansı vermez. Bu sebepten düşü veri hızı ve sınırlı enerji tüetimiyle ablosuz haberleşen cihazlar için IEEE standardı geliştirilmiştir. IEEE standardı ile uyumlu alıcı/verici taşıyan algılayıcı düğümler farlı üreticiler tarafından üretilmeleri durumunda bile birbirleriyle bağlantı urabilir.

45 42 IEEE standardı Şeil 2.6 da gösterildiği gibi ablosuz algılayıcı ağlar için fizisel atman ve MAC atmanı özellilerini tanımlar. Daha sonra bu standart üzerinde orta uygulamalar geliştirme için ağ ve uygulama atmanlarını tanımlayan ZigBee standardı geliştirilmiştir. Fizisel atmanda 2.4 GHz (Global 250 Kbps), 915 MHz (Ameria 40 Kbps) ve 868 MHz (Avrupa 20 Kbps) olma üzere üç farlı freans ullanılmatadır. Algılayıcı düğümlerin iletim menzili düşü güç modunda metre arasındadır (Langendoen, 2008; Ayildiz ve Vuran, 2010). Şeil 2.6. Protool yığınında IEEE ve ZigBee standartları arasındai bağlantı MAC atmanında Şeil 2.7 de gösterildiği gibi yıldız (star), örgü (mesh) ve ümelenmiş ağaç (cluster tree) topolojileri destelenmetedir. Algılayıcı düğümler basit ve gelişmiş olma üzere fonsiyonel olara ii gruba ayrılmıştır. Gelişmiş düğümlerden biri oordinatör olara yönetici görevi üstlenir. Basit düğümler yönlendirici ve oordinatör fonsiyonlarına sahip değildir (Ayildiz ve Vuran, 2010). Şeil 2.7. IEEE standardında destelenen ağ topolojileri

46 43 Örgü topolojisinde gelişmiş düğümler birbirleriyle doğrudan haberleşiren, basit düğümler endilerine en yaın gelişmiş düğüm üzerinden ağa bağlanır. Yıldız topolojisinde basit veya gelişmiş tüm düğümler doğrudan oordinatörle haberleşir. Çalışma sahasının nispeten üçü olduğu uygulamalarda genellile yıldız topolojisi ullanılır. Yıldız topolojisine sahip ağların birbirlerine bağlanmasıyla ümelenmiş ağaç topolojisi oluşturulara hiyerarşi bir yapı elde edilir (Mahali, 2007). IEEE standardında ılavuz etinleştirilmiş (beacon enabled) ve ılavuz etinleştirilmemiş (non-beacon enabled) olma üzere ii farlı anal erişim yöntemi destelenir. Kılavuz etinleştirilmiş anal erişiminde oordinatör tarafından periyodi olara üretilen ılavuz sinyaller ullanılara atif ve atif olmayan periyotlar oluşturulur. Atif periyotta endilerine en yaın oordinatörle haberleşen algılayıcı düğümler, atif olmayan periyotta uyu durumuna geçer. Bu şeilde görev çevrimi oluşturulara ılavuz etinleştirilmiş anal erişiminde enerji tasarrufu sağlanır. Buna arşın ılavuz etinleştirilmemiş anal erişiminde algılayıcı düğümler süreli atif durumda bulunduğundan MAC atmanında enerji tasarrufu sağlanamaz. Yıldız topolojisinde, periyodi sinyal yayını sebebiyle oluşan trafi dezavantaj olmayacasa ılavuz etinleştirilmiş anal erişimi ullanılabilir (Anastasi ve ar., 2009). Uygulamalarda başta enerji tüetimi olma üzere gecime süresi ve adaletlili gibi çeşitli servis alitesi ölçütleri göz önünde tutulur. Ayrıca algılayıcı düğümler üzerinde görev yapan algılayıcı tipine bağlı olara haberleşme için ihtiyaç duyulan spetral verimlili belirlenir. Böylece istenen servis alitesi ölçütlerinin sağlanması amacıyla haberleşme protoolü tasarımı gerçeleştirilir. Kablosuz algılayıcı ağlar için fizisel ve MAC atmanlarını tanımlayan IEEE standardı ço az sayıda uygulamada ullanılmıştır. Özellile enerji verimliliğini artırma için başta fizisel ve MAC atmanları olma üzere protool yığınında yer alan tüm atmanlar diate alınara literatürde ço sayıda araştırma yapılmıştır. Bu araştırmaların büyü bir ısmı ablosuz algılayıcı ağlar için MAC protoolü tasarımı üzerinde yoğunlaşmıştır MAC Protoolü Tasarımı Kablosuz algılayıcı ağlarda algılayıcı düğümlerin anal erişimleri ve buna bağlı olara paet gönderimleri MAC protoolü yardımıyla ontrol edilir. MAC protoolü tasarımında çoğu zaman enerji tüetiminin düşürülmesi, sistem performansının yüseltilmesi ve istenen servis alitesinin sağlanması amaçlanır. Gelenesel ablosuz

47 44 ağlar için MAC protoolü tasarımında öncelili hedef masimum haberleşme apasitesi ve minimum gecime ien enerji tüetiminin düşürülmesi geri planda tutulur. Buna arşın sınırlı enerjiye sahip ablosuz algılayıcı ağlar için MAC protoolü tasarımında önceli enerji verimliliğinin yüseltilmesidir (Al Ameen ve ar., 2010; Mendes ve Rodrigues, 2010). Algılayıcı düğümler üzerinde donanımsal aynaların ısıtlı olması, ablosuz analın orumasız yapısı ve ağın tasarsız yapısı sebebiyle ablosuz algılayıcı ağlarda MAC protoolü tasarımı gelenesel ablosuz ağlara göre daha zordur (Yigitel ve ar., 2011). Algılayıcı düğümlerin çalışma ömrünün uzatılması için enerji verimli MAC protoolü tasarımı gerçeleştirildiğinde ise çoğu zaman gecime süresi, haberleşme apasitesi, paet ayıp oranı, bağlantı güvenilirliği ve adaletlili gibi servis alitesi parametreleri baımından belenen performans elde edilemez. Bu sebepten enerji verimliliği ve sistem performansı arasında sıı bir ödünleşim ortaya çıar (Langendoen, 2008; Zogovic ve ar., 2009). Enerji verimli MAC protoolü tasarımı için paet gönderiminde düşü enerji tüetimiyle birlite hesaplama biriminde daha az sayıda işlem yapılması hedeflenir. MAC protoolü tasarımında hesaplama armaşılığı azaltılırsa enerji tüetimi ile birlite donanım maliyeti önemli ölçüde düşürülür (Yao ve Giannais, 2005). Kablosuz algılayıcı ağlarda enerji verimliliği artışı için literatürde ço sayıda MAC protoolü geliştirilmiştir (Nai ve Sivalingam, 2004; Demirol ve ar., 2006; Kredo II ve Mohapatra, 2007; Wang ve ar., 2008; Langendoen, 2008). Geliştirilen MAC protoolleri zamanlamaya dayalı ve reabete dayalı olma üzere ii grupta incelenir (Ye ve Heidemann, 2004). Zamanlamaya dayalı MAC protoollerinde TDMA teniği yardımıyla zaman boyutu çerçevelere ve her bir çerçeve de belirli sayıda zaman dilimine bölünür. Oluşturulan zamanlama planıyla her algılayıcı düğüm endisi için ayrılan zaman dilimlerinde paet gönderimi gerçeleştirdiğinden çarpışma problemi yaşanmaz. Bu şeilde algılayıcı düğümlerin haberleşme ihtiyacı duymadığı görev çevriminin büyü bölümünü uyu modunda geçirmesi sağlanara ağın çalışma ömrü uzatılır. Zamanlamaya dayalı MAC protoolü oluşturulması için algılayıcı düğümler arasında senronizasyona ihtiyaç vardır. Algılayıcı düğüm sayısı ve ağ topolojisinin değişmesi durumunda senronizasyon bozulacağından ölçelenebilirli ve esneli sağlanamaz. Ço sayıda algılayıcı düğümden oluşan geniş ölçeli ağlarda gecime sürelerinin olduça uzun ve anal ullanımının olduça düşü olması bu tip MAC protoollerinin

48 45 en büyü dezavantajıdır (Rajendran ve ar., 2003). Zamanlamaya dayalı MAC protoolleri genellile topoloji değişiminin yavaş, veri trafiğinin periyodi ve servis alitesi ihtiyacının ön planda tutulduğu uygulamalarda tercih edilir. Reabete dayalı MAC protoollerinde algılayıcı düğümlerin anal erişimleri rastgele gerçeleştirilir. Gönderilece paete sahip algılayıcı düğümlerden hangisinin anal erişimine ha azanacağına arar verme için reabet meanizması ullanılır. Senronizasyona gere duyulmadığından algılayıcı düğüm sayısı ve ağ topolojisinin değişmesi problem oluşturmaz. Bu sebepten reabete dayalı MAC protoolleri ölçelenebilirli özelliğine sahiptir. Özellile veri trafiğinin düşü olduğu uygulamalarda çarpışma olasılığı azalacağından, reabete dayalı MAC protoolleri daha iyi sonuç verir. Topoloji değişiminin hızlı olduğu uygulamalarda da genellile reabete dayalı MAC protoolleri tercih edilir. Bu tip MAC protoollerinin en önemli dezavantajı gönderilen paetlerin başarılı olara alınması çarpışma sebebiyle garanti edilemediğinden ağın enerji verimliliğinin düşü olmasıdır (Anastasi ve ar., 2009). Reabete dayalı MAC protoollerinde algılayıcı düğümlerin anal erişimleri ALOHA ve taşıyıcı duyarlı çolu erişim (carrier sense multiple access, CSMA) tenileriyle düzenlenir. ALOHA (Abramson, 1970) ve bölünmüş (slotted) ALOHA (Roberts, 1972) protoollerinde algılayıcı düğümler gönderece paete sahip oldularında hiç belemeden hemen gönderir. Eğer çarpışma meydana gelirse bir süre sonra terar paet gönderimi terar gerçeleştirilir (Lin, 2009). CSMA tabanlı MAC protoollerinde ise algılayıcı düğümler paet gönderimi gerçeleştirmeden önce belirli bir süre analı dinler ve anal boşta ise paet gönderimi gerçeleştirilir. Eğer anal başa bir düğüm tarafından ullanılıyorsa paet gönderimi ertelenir ve analın dinlenmesine devam edilir. CSMA meanizmasının en önemli ısıtlaması anal üzerinde paet gönderimi algılanamayan gizli terminallerden aynalanan çarpışmalardan etilenmesidir. Gizli terminal probleminin çözümü için gönderim isteği (request to send, RTS), gönderime uygun (clear to send, CTS) ve alındı onayı (acnowledge, ACK) sinyallerinin ullanılmasıyla çarpışma saınmalı CSMA (carrier sense multiple access/collision avoidance, CSMA/CA) meanizması oluşturulmuştur (Ayildiz ve Vuran, 2010). Bu tip protoollere örne olara MACA (Karn, 1990), S-MAC (Ye ve Heidemann, 2004), B- MAC (Polastre ve ar., 2004), T-MAC (van Dam ve Langendoen, 2003) verilebilir. MAC protoolü tasarımı onusunda yapılan çalışmalar sonucunda hem zamanlamaya dayalı hem de reabete dayalı MAC protoollerinin bazı arateristi

49 46 özellileri endi içinde barındıran melez (hybrid) MAC protoolleri geliştirilmiştir. Melez MAC protoollerinde algılayıcı düğümler tıpı zamanlamaya dayalı MAC protoollerinde olduğu gibi belirli zaman dilimlerine atanır. Faat reabete dayalı MAC protoollerinde olduğu gibi anal erişimi için birbirleriyle reabet eder. Melez MAC protoolleri veri trafiği ve topoloji değişililerine arşı endilerini adapte edebilme yeteneğine sahiptir. Hata toleransı, ölçelenebilirli, urulum maliyeti ve güç yönetimi baımından ablosuz algılayıcı ağlar için MAC protoolü tasarımı olduça armaşıtır. Belenen performansa ulaşılması anca her algılayıcı düğümün atı sağlamasıyla mümün olacağından, ablosuz algılayıcı ağlarda hata toleransı düşütür. Algılayıcı düğüm sayısı onlar, yüzler hatta binler seviyesinde olabilir. Enerjisi tüenen algılayıcı düğümler ağdan ayrılıren, ağa yeni elenen düğümler sebebiyle algılayıcı düğüm sayısı süreli değişir. Tasarlanan MAC protoolü ölçelenebilirli sağlayıp algılayıcı düğüm sayısının değişiminden etilenmeden ullanılabilmelidir. Ço sayıda algılayıcı düğümden oluşan ağlarda urulum maliyeti tasarım aşamasında düşünülmesi gereen diğer bir önemli fatördür. Ayrıca algılayıcı düğümlerin sınırlı enerji apasitesini verimli ullanma için MAC protoolü tasarımında etin güç yönetimi gerelidir. Algılayıcı düğümlerin paet gönderimi uygulamanın özellilerine bağlı olara süreli, olay tabanlı veya sorgu tabanlı olara gerçeleştirilir. Süreli gönderim modelinde algılayıcı düğümler periyodi olara paet gönderir. Olay tabanlı gönderim modelinde algılayıcı düğümler önceden tanımlanan belirli olayların gerçeleşmesi durumunda paet gönderir. Sorgu tabanlı paet gönderim modelinde ise algılayıcı düğümler ontrol merezindei ullanıcı tarafından sorgulama gerçeleştirildiğinde paet gönderir (Tila ve ar., 2002). Kablosuz algılayıcı ağlarda haberleşme biriminde boşa enerji tüetiminin minimuma indirilmesi için MAC protoolü tasarımı büyü önem taşır. Algılayıcı düğümler üzerinde boşa tüetilen enerjinin aynağında eş zamanlı gönderilen paetlerin çarpışması, ilgilenilmeyen paetlerin dinlenmesi (overhearing), paet alma/gönderme belentisiyle analda boş dinleme (idle listening), alıcı düğüm hazır olmadığında gönderilen paetlerin alınamadığı aşırı yayma (overemitting) ve ontrol paeti gönderiminden aynalanan e sinyal yüü (overhead) bulunur (Shwe ve ar., 2009; Al Ameen ve ar., 2010). Çarpışma durumunda yeniden paet gönderimi sebebiyle algılayıcı düğümlerin enerji tüetimi bir hayli artaren, gecime süresi ve spetral

50 47 verimlili gibi parametreler de olumsuz yönde etilenir. Bu sebepten MAC protoolü tasarımında çarpışma sayısının minimuma düşürülmesi önemlidir (Sichitiu, 2004). Pratitei uygulamalarda anal durumu ötü olan bir algılayıcı düğümün paet gönderimi sönümleme ve gürültü nedeniyle büyü olasılıla başarısız olur. Başarısız paet gönderimleri yine algılayıcı düğümler üzerinde boşa enerji tüetimine sebep olur. Algılayıcı düğümlerin paet gönderimi anal şartları elverişli oluncaya adar ertelenirse spetral verimlili düşer ve uzun gecime süreleri ortaya çıar. Dolayısıyla ablosuz algılayıcı ağlar için MAC protoolü tasarımında spetral verimlili ve enerji verimliliği arasında ödünleşim ortaya çıar. İyi bir MAC protoolü, anal oşullarının değişimine göre algılayıcı düğümlerin anal erişimlerini adapte ederen, enerji verimliliği ile spetral verimlili arasında dengeyi de sağlamalıdır. Anca, protool yığınında te bir atman üzerinde yapılaca optimizasyonla bunun gerçeleştirilmesi mümün değildir Katmanlar Arası Tasarım ve Optimizasyon Gelenesel ablolu ağlarda haberleşme protoolü tasarımı atmanlı (layered) mimariye dayanır. Katmanlı mimaride en alttai fizisel atmandan en üsttei uygulama atmanına adar protool yığını içindei tüm atmanlar birbirinden bağımsız olara düşünülür. Bu sebepten protool tasarımı olduça basitleşir (Yu ve Giannais, 2006). Yapılan çalışmalar sonucunda, ablosuz ağlarda protool yığının tüm atmanları arasında güçlü bağlantılar bulunduğu ve te bir atmana odalanan haberleşme protoolü tasarımının belenen performansı sağlamayacağı anlaşılmıştır. Kablosuz ağlarda ayna ısıtlamaları sebebiyle ortaya çıan dar boğazlar protool tasarımını zorlaştırdığından, servis alitesini artırma için farlı atmanlar arasındai sinerjilerin ullanılması büyü önem taşır (Zhou ve ar., 2010). Son yıllarda sistem tasarımında arşılaşılan problemlerin çözümü için farlı atmanlar arasındai bağlantılar ortaya çıartılara atmanlar arası (cross layer) tasarım adı verilen yeni bir yalaşım ortaya oyulmuştur (Shaottai ve ar., 2003; Berry ve Yeh, 2004). Katmanlar arası tasarım güçlü bir haberleşme protoolü tasarım yöntemidir. Bu yöntemde protool yığınındai bazı atmanlar birbirleriyle bütünleşi olara düşünülere aralarında bilgi alışverişi ve işbirliğine izin verilir. Böylece protool tasarımında ii veya daha fazla sayıda atmanın birlite optimize edilmesiyle performans artışı sağlanır (Srivastava ve Motani, 2005).

51 48 Kablosuz algılayıcı ağlarda protool yığını içinde yer alan her atman enerji verimliliği, gecime, spetral verimlili gibi belirli servis alitesi ölçütleri baımından sistem performansına eti eder. Burada temel problem belirlenen ölçütün ilgili atmanlar arasında hangi parametreler paylaşılara optimize edileceğidir. Enerji ısıtlı ağlarda servis alitesi ihtiyaçlarının arşılanması için atmanlar arası tasarım ullanımı Goldsmith ve Wicer (2002) tarafından incelenmiştir. Katmanlar arası tasarım ullanılara ablosuz algılayıcı ağlarda enerji tüetiminin azaltılması (Kularni ve ar., 2006), etili yönlendirme sağlanması (Choi ve ar., 2005) ve optimal zamanlama planı oluşturulması (Cui ve ar., 2007; Shu ve Krunz, 2009) gerçeleştirilebilir. Algılayıcı düğümler tarafından sahadan toplanan bilgiler çıış düğümüne atarılıren, protool yığınında yer alan tüm atmanlar bit başına enerji tüetimine eti eder. Özellile fizisel, MAC ve ağ atmanları birlite optimize edildiğinde servis alitesi yüseltilir ve aynı zamanda enerji tüetimi minimuma düşürülür (Melodia ve ar., 2006). Kablosuz algılayıcı ağlarda atmanlar arası tasarım uygulandığında yönlendirme, güç ontrolü ve zamanlama planı gibi farlı stratejiler arasında seçim yapılır. Katmanlar arası bilgi alış verişinin önemli uygulamalarından biri fizisel atmandan elde edilen anal durum bilgisinin zamanlayıcının görev yaptığı MAC atmanında ullanılmasıyla ço ullanıcı çeşitlemesinden faydalanılmasıdır (Qin ve Berry, 2003; Jeon ve ar., 2010). Bu şeilde fizisel ve MAC atmanları birlite optimize edilere oluşturulan fırsatçı zamanlama planıyla spetral verimlili artışı sağlanabilir (Dimic ve ar., 2004; Adireddy ve Tong, 2005). Ayrıca fırsatçı zamanlama planı ile birlite güç ontrolü gerçeleştirildiğinde algılayıcı düğümlerin enerji tüetiminin düşürülmesi de mümündür (ElBatt ve Ephremides, 2004). Şeil 2.7. Fırsatçı zamanlama planı için atmanlar arası tasarım yalaşımı

52 49 Katmanlar arası optimizasyon modeli uygulandığında genellile donanımsal enerji tüetimi ihmal edilere haberleşme biriminde paet gönderimi için harcanan enerji değerlendirmeye alınır. Bu varsayım ço atlamalı haberleşme için elverişli olmasa da, te atlamalı haberleşme durumunda uzun mesafeli paet gönderim enerjisi haberleşme devrelerinde sinyal işleme için harcanan enerjiye basın olacağından atmanlar arası tasarımda ullanılması abul edilebilir sonuç verir (Cui ve ar., 2007) Literatür Özeti Bu tez apsamında önerilen paet gönderim stratejisi, fizisel ve MAC atmanlarının birlite optimize edilmesiyle elde edilen eşi seviyesi tabanlı dağını fırsatçı zamanlama planına dayanmatadır. Öngörülen planın başarısı; dönüşümlü zamanlama yardımıyla elde edilen stati TDMA planı, merezi fırsatçı zamanlama avantajına sahip olan masimum SNR/NSNR planları ve önerilen planda olduğu gibi dağını fırsatçı zamanlama uygulanan masimum olabilirli planıyla arşılaştırma yapılara test edilmiştir. Sözü geçen planlar bu ısımda incelenmiştir Stati TDMA planı Hücresel mimarili ablosuz algılayıcı ağlarda paet gönderimini düzenlemenin en olay yolu, dönüşümlü zamanlama uygulanara stati TDMA planı oluşturulmasıdır. Stati TDMA planında zamanlama için anal durum bilgisi diate alınmadığından, algılayıcı düğümler bir döngü içinde eşit aralılarla periyodi olara paet gönderir. Bu yalaşım spetral verimlili baımından avantajlı olmasa da, anal erişiminde masimum adaletlili sağlar (Hassel ve ar., 2007). Stati TDMA planı için spetral verimlili ifadesi, / 1/ e e log (1 ) f ( ) d log (1 ) d E 1/ (2.1) Stati ln şelinde verilmiştir (Floren ve ar., 2003). Burada terimi gönderilen paetlerin ortalama SNR değerini ve ( ) 1 t 1 E x t e dt terimi birinci dereceden üstel integral x

53 50 fonsiyonunu (exponential integral function) göstermetedir (Gradshteyn ve Ryzhi, 2007). Alınan başarılı paetlerin ortalama SNR değeri ise, / e Stati f ( ) d d (2.2) 0 0 şelinde elde edilir. Stati TDMA planında çarpışma olmayacağından gönderilen paetler, aynı ortalama SNR değeriyle ontrol düğümünden alınır. Diat edilirse stati TDMA planında spetral verimlili ve başarılı paetlerin ortalama SNR değeri sadece parametresine bağlıdır Masimum SNR/NSNR planı Hücresel mimarili ablosuz algılayıcı ağlarda merezi fırsatçı zamanlama uygulanma üzere algılayıcı düğümlerin anal azançları ontrol düğümüne geri besleme yapılırsa, her zaman diliminde sadece en iyi anal oşullarına sahip algılayıcı düğümün paet gönderimine izin verilir. Bu şeilde algılayıcı düğümlerin anal azançlarının SNR metri ullanılara ölçüldüğü masimum SNR planı ve NSNR metri ullanılara ölçüldüğü masimum NSNR planında çarpışma problemi tamamen ortadan aldırılara anal apasitesi masimum yapılır. Masimum SNR planında ontrol düğümü üzerindei zamanlayıcı tarafından seçilen * algılayıcı düğümü için SNR metriğinin PDF ifadesi, K 1 f ( ) K / ( 1) e * K 1 (1 ) / 0 (2.3) şelinde verilmiştir. Burada K parametresi algılayıcı düğüm sayısını göstermetedir. Buna göre masimum SNR planında spetral verimlili ifadesi, K K 1 K 1 (1 )/ 1 MaxSNR log 2(1 ) f ( ) d ( 1) e * ln (2.4) 1 E (1 ) / olara bulunur (Hassel, 2007). Alınan başarılı paetlerin ortalama SNR değeri ise,

54 51 K 1 ( 1) K 1 f ( ) d K (2.5) MaxSNR * (1 ) ifadesi ullanılara hesaplanır. Benzer şeilde masimum NSNR planında ontrol düğümü üzerindei zamanlayıcı tarafından seçilen * algılayıcı düğümü için SNR metriğinin PDF ifadesi, f * M 2 K 1 ( M 1) K M 2 K 1 ( M 1) ( ) ( M 2)! i n i0 0 n0 i n in ( in1) ( 1) ( ) ( ) c L i n 1, / (2.6) şelinde verilmiştir. Burada M parametresi ontrol düğümü üzerinde anten sayısını ve t 1 x e t dt (, ) terimi tamamlayıcı esi Gamma fonsiyonunu (complementary c x incomplete Gamma function) göstermetedir (Gradshteyn ve Ryzhi, 2007). Buna göre masimum NSNR planında spetral verimlili ifadesi, log (1 ) f ( ) d MaxNSNR 2 0 * M 2 K 1 ( M 1) K M 2 K 1 ( M 1) ( M 2)!ln 2 i n (2.7) i0 0 n0 in ( in1) ( 1) ( ) in L i n 1,1/ olara bulunur. Burada (, ) ln(1 ) a a c(, ) d (2.8) 0 şelinde tanımlanmıştır (Özdemir, 2007).

55 Masimum olabilirli planı Coronel ve ar. (2005) tarafından geliştirilen paet gönderim planında, önerilen planda olduğu gibi algılayıcı düğümler üzerinde dağıtılmış anal durum bilgisi ullanılara fırsatçı zamanlama gerçeleştirilmiştir. Bu planda, önerilen plandan farlı olara optimum eşi seviyesinin belirlenmesi için masimum olabilirli (maximum lielihood) yöntemi ullanılması tercih edilmiştir. Masimum olabilirli planında algılayıcı düğümünün anal vetörü ile ontrol düğümü tarafından oluşturulan hüzme p biçimlendirme vetörü eşleştiğinde ( w h / h ) alınan sinyal için SNR değeri, B 2 h (2.9) şelinde elde edilir. Asi tadirde, algılayıcı düğümünün anal vetörü ile oluşturulan p hüzme biçimlendirme vetörü eşleşmediğinde ( w h / h ) SNR değeri, ( w p ) H h h H w p (2.10) olara bulunur. Eğer algılayıcı düğümünün oluşturulan hüzme tarafından apsanması olayı A ile gösterilirse, SNR ifadesinin A şartına bağlı dağılımı, f A 1/ e / / ( M 1)! M 1 (2.11) ifadesiyle verilmiştir. Benzer şeilde algılayıcı düğümünün oluşturulan hüzme tarafından apsanmaması olayı tamamlayıcı şartına bağlı dağılımı ise, A ile gösterilirse, SNR ifadesinin A / 1/ f A e (2.12) ifadesiyle verilmiştir. Tanımlanan bu ii şarta bağlı dağılım ifadesi masimum olabilirli uralı türetme üzere ullanıldığında arar ifadesi,

56 53 log 0 A f A f A A (2.13) şelinde elde edilir. Burada gereli sadeleştirmeler yapılırsa arar uralı ifadesi, 1 1 log log ( 1) M i i M A e A (2.14) olara bulunur. Bu ifade yardımıyla optimum eşi seviyesi, 1 1 log ( 1) 1 ML ( 1)! M i i M M e M (2.15) şelinde elde edilir. Masimum olabilirli planında optimum eşi seviyesi sadece ontrol düğümü üzerindei anten sayısı M parametresiyle değişir.

57 54 3. ÖNERİLEN FIRSATÇI PAKET GÖNDERİM PLANI Kablosuz algılayıcı ağlar için temel tasarım hedefi algılayıcı düğümlerin enerji verimliliğinin yüseltilmesi olsa da sınırlı bant genişliğinin daha verimli ullanılmasını geretiren bazı özel amaçlı uygulamalarda spetral verimlili artışı önem azanır. Bu bölümde hücresel mimarili ablosuz algılayıcı ağlarda anal apasitesinin artırılması hedeflenere geliştirilen dağını fırsatçı paet gönderim planı detaylı şeilde ele alınacatır. Önerilen paet gönderim planının başarısı spetral verimlili yanında anal durum olasılığı, başarılı paet sinyal alitesi, enerji verimliliği ve adaletlili gibi servis alitesi ölçütleri göz önünde tutulara incelenmiştir. Hücresel mimarili ablosuz algılayıcı ağlarda saha üzerine dağıtılmış algılayıcı düğümler yanında hiyerarşinin tepesinde yer alan ontrol düğümü bağlantı yolları üzerinde çıış düğümü görevi üstlenir. Algılayıcı düğümlerden ontrol düğümüne te atlama ile doğrudan paet gönderimi gerçeleştirildiğinden, hücresel mimarili ağ modelinde herhangi bir yönlendirme algoritmasına ihtiyaç duyulmaz. Kontrol düğümü ile algılayıcı düğümler arasındai anal oşulları, yol aybı ve sönümleme gibi bozucu etenler sebebiyle zamana ve onuma bağlı olara süreli değişir. Bu şeilde ço ullanıcı çeşitlemesinden faydalanara yuarı bağlantı analı üzerinde algılayıcı düğümlerden ontrol düğümüne paet gönderimini organize etme için zamanlama planı oluşturuluren fırsatçı haberleşme stratejisi izlenirse spetral verimlili ile birlite toplam apasite önemli ölçüde artar Sistem Modeli İlgilenilen sistem modeli bir adet ontrol düğümünün K adet algılayıcı düğüme hizmet ettiği hücresel mimarili ablosuz algılayıcı ağın te bir hücresidir. Şeil 3.1 de gösterildiği gibi ontrol düğümü M adet anten ile donatılmışen algılayıcı düğümler te bir antene sahiptir. Kontrol düğümünün sinyal işleme ve haberleşme yeteneleri baımından algılayıcı düğümlere göre daha güçlü olduğu abul edilere çolu anten ullanımı için fizisel boyut ve enerji tüetimi ısıtlamalarında esneli öngörülmüştür. Çalışma sahasında rastgele dağıtılan algılayıcı düğümler ilgilenilen fizisel büyülüler haında periyodi olara bilgi toplar. Elde edilen veriler paet adı verilen sembol bloları halinde ontrol düğümüne gönderilir.

58 55 Şeil 3.1. Hücresel mimarili ablosuz algılayıcı ağ sistem modeli Önerilen planda, ablosuz haberleşme analı TDMA teniği ullanılara zaman boyutunda parçalara bölünmüştür. Böylece algılayıcı düğümlerin paet gönderimleri farlı zaman dilimlerinde birbirlerinden ayrılır. Paet gönderimi için basitleştirilmiş çarpışma modeli abul edilere çolu erişim analı araterize edilmiştir. Bu varsayımla birden fazla algılayıcı düğümün aynı zaman diliminde paet gönderimi çarpışmayla sonuçlanır. Çarpışma durumunda gönderilen paetler birbirleri üzerindei girişim etisi sebebiyle bozulacağından, aynı zaman diliminde sadece bir adet paetin başarılı olara gönderilmesi mümündür. Kontrol düğümünde zaman dilimi başına alınabilece başarılı paet sayısı artırılamayacağından, spetral verimlili artışı için anal durumu iyi olan algılayıcı düğümlerin paet gönderimine önceli verilece şeilde fırsatçı zamanlama planı oluşturulması düşünülebilir. Önerilen paet gönderim planında atmanlar arası tasarım yalaşımı ullanılara ablosuz anal arateristilerini belirleyen fizisel atman ile algılayıcı düğümlerin anal erişimlerinin organize edildiği MAC atmanı birbirleriyle bütünleştirilmiştir. Bu şeilde paet gönderimini düzenleyen MAC protoolü tasarlanıren algılayıcı düğümlerin anal durumları diate alınara ço ullanıcı çeşitlemesi azancından faydalanılması planlanmıştır. Düşünülen sistem modelinde ontrol düğümü tarafından aşağı bağlantı analında yayınlanan orta pilot sinyal yardımıyla algılayıcı düğümlerin anal durumları belirlenir. Kablosuz algılayıcı ağlarda geri besleme yoluyla anal durumlarının periyodi olara ontrol düğümüne gönderilmesi algılayıcı düğümlerin enerji tüetimlerini önemli ölçüde artırır. Dolayısıyla ontrol düğümü tarafından merezi zamanlama planı oluşturulamaz. Bu sebepten önerilen paet gönderim planında merezi otoriteden bağımsız şeilde dağını fırsatçı zamanlama planı oluşturulmuştur.

59 56 Önerilen planda algılayıcı düğümlerin anlı anal azançları önceden belirlenen eşi seviyesiyle arşılaştırılara, paet gönderim ararları algılayıcı düğümlerin endileri tarafından verilmiştir. Bu şeilde algılayıcı düğümlerden ontrol düğümüne geri besleme için gereli ontrol sinyali yüü tamamen ortadan aldırılır. Faat paet trafiğinin düzenlenmesinde merezi ontrol esiliği sebebiyle eş zamanlı paet gönderiminde doğal olara çarpışma problemi ortaya çıar. Çarpışma meydana geldiğinde gönderilen paetler başarılı olara alınamayacağından, hem spetral verimlili düşer hem de algılayıcı düğümlerde boşa enerji tüetimi gerçeleşir. Oluşturulan dağını fırsatçı zamanlama planında çarpışmaların minimuma düşürülmesi için optimum eşi seviyesinin belirlenmesi gerelidir. Algılayıcı düğümlerin anal durumları yani anal azançları ontrol düğümü tarafından yayınlanan pilot sinyal üzerinde SNR ve NSNR ölçümleri yapılara belirlenmiştir. Bu işlem sonunda algılayıcı düğümler sadece endi anal durumlarını biliren diğerlerinin anal durumlarından haberdar olmazlar. Tüm algılayıcı düğümlerin donanımsal özellileri baımından birbirine özdeş olduğu homojen bir ağ içerisinde anal istatistilerinin aynı olduğu abul edilmiştir. Kanal alitesi önceden belirlenen eşi seviyesinin üzerine çıan algılayıcı düğümler endi başlarına paet gönderim ararı alırlaren, elverişsiz anal oşullarına sahip algılayıcı düğümler paet gönderimlerini daha sonrai zaman dilimlerine erteler Kanal ve Sinyal Modeli Düşünülen sistem modelinde düz sönümlemeli ablosuz analın durağan gibi görünen (quasi-static) blo Rayleigh sönümleme arateristiğine sahip olduğu abul edilmiştir. Bu varsayımla anal çerçeve olara isimlendirilen belirli sayıda zaman dilimi boyunca sabit alıren farlı çerçeveler arasında bağımsız olara değişir. Kontrol düğümü ile algılayıcı düğümü arasındai M 1 boyutunda anal vetörü h [ h... h ] T elemanları bağımsız ve özdeş olara dağıtılmış, dairesel simetriye,1, M sahip, sıfır ortalamalı, varyanslı, armaşı Gauss dağılımlı anal azanç atsayılarıdır, h, (0, ). Pratite ontrol düğümüne göre onumuna bağlı olara m algılayıcı düğümlerin anal oşulları farlılı gösterse de, yapılan analizleri basitleştirme için tüm algılayıcı düğümlerin anal azançlarının istatistisel olara aynı dağılıma sahip olduğu varsayılmıştır.

60 57 Önerilen paet gönderim planı Şeil 3.2 de gösterildiği gibi zaman eseninde birbirini taip edere süreli terarlanan ii ayrı işlemden oluşur. Bunlar sırayla aşağı bağlantı (AB) fazında pilot sinyal (PS) yayını ve yuarı bağlantı (YB) fazında paet gönderimidir. Aynı freans bandını ullanan aşağı ve yuarı bağlantı fazları çerçeve içerisinde TDD teniği yardımıyla zaman boyutunda birbirlerinden ayrılmıştır. Böylece anal uyum zamanının yeterince uzun olduğu abul edilere aşağı ve yuarı bağlantı anal arateristileri birbirine eşitlenmiştir. Her zaman dilimi N N DL N UL adet sembol içeriren, N DL adet sembolden oluşan pilot sinyal yayın süresinin N UL adet sembolden oluşan paet gönderim süresinden daha ısa olduğu abul edilmiştir. Önerilen planın NSNR metri ile uygulanabilmesi her çerçeve başında anal estirimi (KK) için yer alan zaman diliminde algılayıcı düğümler anal vetörlerini h belirler. Şeil 3.2. Önerilen plan ile analın zaman boyutunda çift yönlü paylaşımı Önerilen paet gönderim planında algılayıcı düğümlerin anal vetörleri çerçeve süresince sabit alır. Bu durumda anal oşulları süreli ötü olan bazı algılayıcı düğümlerin paet gönderiminde uzun gecime süreleri ortaya çıar. Ayrıca anal erişiminde algılayıcı düğümler arasında adaletlili sağlanamaz. Bu problemin çözümü için fırsatçı hüzme biçimlendirme teniğinden faydalanılır. Kontrol düğümünde bulunan çolu antenler üzerinden gönderilen pilot sinyale rastgele ağırlılar verilere algılayıcı düğümlerin anal oşulları her zaman diliminde değiştirilir. Böylece sistem içindei farlı algılayıcı düğümlerin paet gönderimine imân sağlanır. Algılayıcı düğümlerin her zaman diliminde ontrol düğümüne gönderebileceleri bir paete sahip olduları düşünülmüştür. Paet gönderimi için uygun anal oşullarının hangi zaman diliminde ortaya çıacağı bilinmediğinden, önerilen planda gönderilece paete sahip algılayıcı düğümler süreli olara ağa bağlı alma zorundadır.

61 Aşağı bağlantı fazında pilot sinyal yayını Önerilen planın aşağı bağlantı anal ve sinyal modeli Şeil 3.3 de gösterilmiştir. Aşağı bağlantı fazında belirli bir p zaman diliminde pilot sinyal yayını için M 1 boyutunda hüzme biçimlendirme vetörü w p [ w p 1... w p ] T M ontrol düğümü tarafından rastgele oluşturur. Oluşturulan hüzme biçimlendirme vetörü ontrol düğümünden algılayıcı düğümüne ait anal vetörü h ile aynı dağılıma sahiptir. Faat pilot sinyal p gönderim gücünü sabit tutma için normalleştirilmiştir, w h / h. z p 1 ( n) y p 1 ( n) p w 1 x(n) p w 2 z p (n) y p (n) p w M z p K (n) y p K (n) Şeil 3.3. Önerilen SNR ve NSNR planları için aşağı bağlantı anal ve sinyal modeli

62 59 * Pilot sinyal x( n ) gönderim gücü Px E x ( n) x( n) olma üzere hüzme biçimlendirme vetörüyle çarpılara çalışma sahası üzerinde yayınlanır. Bu durumda n ayrı zaman indisini gösteriren algılayıcı düğümü tarafından alınan sinyal ifadesi, y p ( ) ( p ) H ( ) p n w h x n z ( n) n 1,..., N (3.1) DL p olara elde edilir. Burada z ( n ) terimi dairesel simetriye sahip, sıfır ortalamalı, 2 varyanslı armaşı toplanır beyaz Gauss gürültüsünü gösterir, z 2 (0, ). Ayrıca p p H algılayıcı düğümü bileşi anal atsayısı q ( w ) h ile gösterilere alınan sinyal, p p p y ( n) q x( n) z ( n) (3.2) şelinde ifade edilebilir. Hüzme biçimlendirme vetörünün her zaman diliminde rastgele değiştirilmesiyle algılayıcı düğümünde gözlemlenen bileşi anal atsayısı bir zaman diliminden diğerine değişir. Denlemlerde zaman dilimi ölçeğinde değişen sinyaller p üst indisi ullanılara simgelenmiştir. Gönderilen pilot sinyal gücünün gürültü gücüne oranı şelinde tanımlanan ortalama SNR değeri 2 P x / 1 (yani logaritmi ölçete 0 db) abul edilere yol aybı ve diğer bozucu etenler anal vetörünün içinde birleştirilmiştir. Bu durumda p zaman diliminde algılayıcı düğümü tarafından alınan sinyal için SNR değeri, p ( w p ) H h h H w p (3.3) ifadesi ullanılara hesaplanır. Ölçülen SNR değerinin masimum SNR değerine oranı olara tanımlanan NSNR değeri ise, ( ) w h h w h h p p H H p p p H (3.4) şelinde ifade edilir. NSNR ölçümü [0, 1] değer aralığı ile sınırlıdır.

63 60 Aşağı bağlantı fazında yayınlanan pilot sinyal üzerinde SNR ve NSNR ölçümleri yapılara algılayıcı düğümlerin anal durumları belirlenir. Sistem içinde yeterli sayıda algılayıcı düğüm mevcutsa algılayıcı düğümlerden biri diğerlerine göre daha iyi anal oşullarına sahiptir. Grafisel anlatımla saha üzerindei onumlarına bağlı olara yayınlanan pilot sinyal yardımıyla oluşturulan hüzme altında alan algılayıcı düğümler diğerlerine göre daha yüse SNR ve NSNR değerlerine sahip olacatır. Eğer algılayıcı düğümünün anal vetörü hüzme biçimlendirme vetörüyle eşleşiyorsa p ( w h / h ) mümün olabilece en yüse SNR ve NSNR değerleri elde edilir Yuarı bağlantı fazında paet gönderimi Önerilen planın yuarı bağlantı anal ve sinyal modeli Şeil 3.4 de gösterilmiştir. Yuarı bağlantı fazında algılayıcı düğümler paet gönderimi için anal azançlarını önceden belirlenen eşi seviyesi ile arşılaştırır. Belirli bir p zaman diliminde eşi seviyesi üzerinde anal azancına sahip algılayıcı düğümü sahip p olduğu paeti s ( n ) aşağı bağlantı fazında ullanılan pilot sinyal gücüne eşit güçte (P P ) ontrol düğümüne gönderir. Kontrol düğümünde M 1 boyutunda alınan s x sinyal vetörü t p ( n) [ t p 1 ( n)... t p ( )] T M n, p p p t ( n) h s ( n) z ( n) n 1,..., N (3.5) UL olara ifade edilir. Burada z p ( n) [ z p 1 ( n)... z p ( )] T M n terimi dairesel simetriye sahip, sıfır ortalamalı, 2 I M ovaryanslı 1 M boyutunda armaşı toplanır beyaz Gauss gürültüsü vetörünü simgeler, z. 2 (0, IM ) Kontrol düğümünde alıcı çeşitlemesi ullanılara tüm antenlerden gelen sinyaller birleştirilir. Yuarı bağlantıda doğrusal birleştirme için ullanılan ağırlı verme vetörü, aşağı bağlantıda pilot sinyal yayını için ullanılan hüzme biçimlendirme vetörü ile aynıdır. Kontrol düğümünde elde edilen birleştirilmiş sinyal ifadesi, p p H p p p p r ( n) ( w ) t ( n) q s ( n) z ( n) (3.6)

64 61 şelinde elde edilir. Burada z p ( n) ( w p ) H z p ( n) terimi alınan gürültü sinyalidir. Buna göre ontrol düğümünde alınan paet için SNR değeri p p H H p ( w ) h h w (3.7) olara bulunur. Diat edilirse yuarı bağlantı fazında elde edilen SNR değeri daha önce (3.3) eşitliğiyle verilen aşağı bağlantı fazında SNR değerine özdeştir. Böylece önerilen planın aşağı ve yuarı bağlantı analları arasında arşıtlığı sağlanmıştır. s ( n 1 ) p w 1 z p 1 ( n) r(n) 1 ( n p w 2 t p ) z p ( ) t p 2 ( n) 2 n (n) s p w M z p M (n) t p M (n) s K (n) Şeil 3.4. Önerilen SNR ve NSNR planları için yuarı bağlantı anal ve sinyal modeli

65 62 Önerilen paet gönderim stratejisinde aşağı bağlantı analında yayınlanan pilot sinyal üzerinde algılayıcı düğümlerin anal durum bilgisi elde edilir. Bu anal durum bilgisinden faydalanara yuarı bağlantı analında zamanlama planı oluşturulabilmesi için anal arşıtlığının sağlanması zorunludur. Düşünülen sistem modelinde anal arşıtlığının sağlanması sadece ontrol düğümü tarafından aşağı bağlantı fazında te hüzme oluşturulması durumunda mümündür. Te hüzme oluşturuluren aynı sembol farlı ağırlı atsayıları ile çarpılara birbirinden bağımsız antenlerden çalışma sahası üzerine gönderilir (Sharma ve Ozarow, 2005). Önerilen planda fırsatçı hüzme biçimlendirme yardımıyla teori olara ontrol düğümünde anten sayısı adar hüzme oluşturulması mümündür. Böylece uzaysal çoğullama yardımıyla aynı bant genişliğinde veri aışı sayısı artırılabilir. Yani birden fazla sayıda algılayıcı düğüm aynı zaman diliminde farlı uzaylardan ontrol düğümüne paet gönderir. Faat ontrol düğümünde çolu hüzme oluşturulması durumunda anal arşıtlığı sağlanamayacağından önerilen planda uzaysal çoğullama teniğinden faydalanılması mümün olmaz. Şeil 3.5. Önerilen plan ile çarpışma tabanlı analda te atlama ile paet gönderimi Çarpışma tabanlı anal modeli varsayımıyla yuarı bağlantı fazında Şeil 3.5 de gösterildiği gibi üç farlı anal durumu ortaya çıar. Belirli bir p zaman diliminde algılayıcı düğümlerden sadece biri paet gönderirse, gönderilen paet ontrol düğümü tarafından başarılı olara alınır. Buna arşın aynı zaman diliminde birden fazla algılayıcı düğümün eş zamanlı paet gönderimi çarpışmayla sonuçlanır. Eğer algılayıcı düğümlerden hiçbirinin anal azancı eşi seviyesine ulaşamazsa boş dinleme meydana gelir. Bu durumda ontrol düğümü paet alma için bir sonrai zaman dilimini beler.

66 Optimum Eşi Seviyesinin Belirlenmesi Önerilen paet gönderim planında performansı belirleyen parametrelerin başında eşi seviyesi gelir. Eşi seviyesi yüseldiçe bu değeri aşaca adar yüse anal azancına sahip algılayıcı düğüm sayısı azalacağından boş dinleme sayısı artar. Bunun tersine eşi seviyesi düştüçe bu değeri aşaca adar yüse anal azancına sahip algılayıcı düğümlerin sayısı artacağından çarpışma sayısı artar. Önerilen paet gönderim planında toplam anal apasitesinin masimum yapılması için boş dinleme ve çarpışma sayısının minimuma düşürülmesi öngörülmüştür. Bu amaçla eşi seviyesi belirleniren başarılı paet olasılığı masimum yapılaca şeilde optimizasyon gerçeleştirilmiştir. Aşağı bağlantı fazında algılayıcı düğümlerin anal azançlarını ölçme için SNR ve NSNR metrileri ullanılara önerilen planın performansı ii farlı şeilde test edilmiştir. Anlatımı sadeleştirme için önerilen plan SNR metri ile uygulandığında ısaca önerilen SNR planı ve NSNR metri ile uygulandığında ısaca önerilen NSNR planı olara isimlendirilmiştir. Algılayıcı düğümlerin paet gönderim olasılığını istatistisel olara ifade etme için ullanılan metrilerin PDF ve CDF ifadelerinden faydalanılmıştır Önerilen SNR planı Kablosuz haberleşme sistemlerinde anal alitesi ölçümü çoğu zaman SNR metri ullanılara gerçeleştirilir. SNR metri için PDF ve CDF ifadeleri sırasıyla; / f ( ) 1/ e, (3.8) F ( ) 1 / e (3.9) şelinde verilmiştir (Alouini ve Goldsmith, 1999). Paet gönderim olasılığı herhangi bir algılayıcı düğümün eşi seviyesi üzerinde SNR değerine sahip olma olasılığı olara ifade edilebilir. SNR metri için PDF ifadesi ullanılara algılayıcı düğümünün ile gösterilen eşi seviyesi üzerinde anal azancına sahip olma olasılığı,

67 64 / / ( ) 1/ PSNR e d e (3.10) olara ifade edilir. Başarılı paet gönderimi için algılayıcı düğümlerden sadece birinin eşi seviyesi üzerinde (diğerlerinin altında) anal azancına sahip olma olasılığı ifadesi, K PSNR ( ) e (1 e ) Ke (1 e ) 1 / / K 1 / / K 1 (3.11) şelinde formüle edilir. Bu olasılı ifadesinin eşi seviyesine göre türevi alınara sıfıra eşitlenirse başarılı paet gönderim olasılığını masimum yapaca optimum eşi seviyesi, SNR ln K (3.12) olara bulunur. Elde edilen optimum eşi seviyesi ifadesi ullanılara önerilen SNR planı için başarılı paet, boş dinleme ve çarpışma olasılıları sırasıyla K 1 SNR / SNR / K 1 1 SNR ( SNR ) (1 ) 1, P Ke e K (3.13) K boş 1 SNR / K SNR ( SNR ) (1 e ) 1, P K (3.14) K 1 çarpışma boş 1 1 PSNR ( SNR ) 1 PSNR PSNR K K K (3.15) şelinde elde edilir. Önerilen SNR planında spetral verimlili hesaplanıren SNR ile gösterilen sistem SNR metriği ullanılmıştır. Sistem SNR metriği için PDF ifadesi,

68 65 PSNR ( SNR ) / f ( ) [1 PSNR ( SNR )] ( ) e u( SNR ) (3.16) SNR SNR / e olara elde edilir. Burada (.) terimi Dirac delta fonsiyonunu ve u (.) terimi birim basama fonsiyonu temsil etmetedir. Sistem SNR metriği ifadesi içinde başarılı paet gönderimi PSNR ( SNR ) olasılığıyla değerlendirilmiş ve SNR metriği ifadesinde ölçeleme (scaling) yapılara elde edilmiştir. Çarpışma ve boş dinleme durumları ise [1 P ( )] olasılığını veren Dirac delta fonsiyonu ile ifade edilmiştir. (3.12) ve SNR SNR (3.13) eşitlileri (3.16) ifadesi içinde ullanılırsa sistem SNR metriği PDF ifadesi, f e u K K K K K K 1 / ( ) 1 1 ( ) 1 ( ln ) SNR (3.17) şelinde yeniden yazılabilir. Önerilen SNR planı için spetral verimlili ifadesi, işlem basamaları E-1 de ayrıntılı olara gösterildiği gibi, SNR 2 0 f SNR log 1 ( ) d K 1 (1 1/ K) 1 1/ 1 ln ln ln K Ke E1 ln K ln 2 (3.18) şelinde bulunur. Önerilen SNR planında sinyal alitesini ölçme üzere SNR ile gösterilen başarılı paet SNR metriği ullanılmıştır. Başarılı paet SNR metriği için PDF ifadesi, f SNR / e ( ) u( SNR ) (3.19) SNR / e olara elde edilir. Buna göre başarılı paetlerin ortalama SNR değeri, SNR f d K c K (3.20) SNR 0 ( ) 2,ln

69 66 eşitliği ullanılara hesaplanabilir. Diat edilirse önerilen SNR planında spetral verimlili ve başarılı paetlerin ortalama SNR değeri K ve parametrelerinin fonsiyonudur Önerilen NSNR planı Hücresel mimarili ablosuz algılayıcı ağlarda algılayıcı düğümler ontrol düğümüne farlı uzalılarda bulundularından yol aybı nedeniyle SNR ölçümleri aynı dağılıma sahip değildir. Dolayısıyla önerilen SNR planında ontrol düğümüne uza algılayıcı düğümlerin eşi seviyesini aşıp paet gönderme olasılığı daha düşü olduğundan adaletlili sağlanamaz. Paet gönderiminde adaletsizliğin ortadan aldırılması amacıyla anal alitesi ölçümünde SNR değeri normalleştirilere NSNR metriği ullanılmıştır. NSNR ölçümünde tüm algılayıcı düğümler onumlarından bağımsız aynı istatistilere sahiptir. NSNR metriği için PDF ve CDF ifadeleri sırasıyla M 2 f ( ) ( M 1)(1 ), (3.21) F ( ) 1 (1 ) M 1 (3.22) şelinde verilmiştir (Sharma ve Ozarow, 2005). NSNR metriği için PDF ifadesi ullanılara algılayıcı düğümünün ile gösterilen eşi seviyesi üzerinde anal azancına sahip olma olasılığı, NSNR M 2 M 1 (3.23) P ( ) ( M 1)(1 ) d (1 ) şelinde ifade edilir. Başarılı paet gönderimi için algılayıcı düğümlerden sadece birinin eşi seviyesi üzerinde (diğerlerinin altında) anal azancına sahip olma olasılığı, ( ) (1 ) M 1 1 (1 ) M 1 K1 NSNR K P (3.24)

70 67 olara formüle edilir. Bu olasılı ifadesinin eşi seviyesine göre türevi alınara sıfıra eşitlenirse başarılı paet gönderim olasılığını masimum yapaca optimum eşi seviyesi, NSNR 1 1 K 1 M 1 (3.25) ifadesi ullanılara hesaplanabilir. Elde edilen optimum eşi seviyesi ifadesi ullanılara önerilen NSNR planı için başarılı paet, boş dinleme ve çarpışma olasılıları sırasıyla P K 1 M 1 M 1 K 1 1 NSNR NSNR K NSNR NSNR ( ) (1 ) 1 (1 ) 1, K (3.26) P K 1 ( ) 1 (1 ) 1, K boş M 1 NSNR NSNR NSNR K (3.27) K 1 çarpışma boş 1 1 PNSNR ( NSNR ) 1 PNSNR PNSNR K K K (3.28) şelinde ifade edilir. Diat edilirse bulunan bu ifadeler daha önce incelenen önerilen SNR planında bulunan ifadelerin aynısıdır. Önerilen NSNR planında sistem SNR metriği NSNR için PDF ifadesi, işlem basamaları E-2 de ayrıntılı olara gösterildiği gibi, / PNSNR ( NSNR ) e 1 f ( ) 1 PNSNR ( NSNR ) ( ) 1, M 1 1 NSNR (1 NSNR ) M NSNR (3.29) olara elde edilir. (3.25) ve (3.26) eşitlileri (3.29) ifadesi içinde ullanılırsa sistem SNR metriği PDF ifadesi,

71 M 1 K 1 K 1 1 K 1 / K 1 K K M 1 f ( ) 1 1 ( ) 1 e, M 1 NSNR 1 1 K (3.30) şelinde yeniden yazılabilir. Burada x 1 m1 t x m t e dt (, ) ( m 1)! terimi esi Gamma 0 fonsiyonunu (incomplete Gamma function) göstermetedir (Abramowitz ve Stegun, 1964). Önerilen NSNR planı için spetral verimlili ifadesi, NSNR log 2(1 ) f ( ) d NSNR (3.31) 0 integrali hesaplanara bulunur. Burada sistem SNR metriği PDF ifadesinin armaşı yapısından dolayı spetral verimlili apalı formda elde edilemediğinden nümeri olara hesaplanmıştır. Önerilen NSNR planında başarılı paet SNR metriği için NSNR PDF ifadesi f NSNR / e 1 ( ) 1, M 1 1 (1 NSNR ) M NSNR (3.32) olara elde edilir. Buna göre başarılı paetlerin ortalama SNR değeri, f ( ) d (3.33) NSNR 0 NSNR integrali hesaplanara bulunur. Burada yine başarılı paet SNR metriği PDF ifadesinin armaşı yapısından dolayı ortalama SNR değeri apalı formda elde edilemediğinden nümeri olara hesaplanmıştır. Diat edilirse önerilen NSNR planında spetral verimlili ve başarılı paetlerin ortalama SNR değeri M, K ve parametrelerinin fonsiyonudur.

72 Performans Analizi Bu tez çalışmasında önerilen SNR ve NSNR planlarının başarısı, bulunan analiti ifadeler yanında istatistisel (Monte Carlo) bilgisayar benzetimi yapılara test edilmiştir. Performans analizinde spetral verimlili, başarılı paet sinyal alitesi, enerji verimliliği ve adaletlili gibi çeşitli servis alitesi ölçütleri incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar ontrol düğümünde anten sayısı M ve algılayıcı düğüm sayısı K parametrelerinin farlı değerleri için grafisel olara gösterilmiştir. Analiti ifadeler yardımıyla elde edilen sonuçlara yalaşım sağlayabilme için bilgisayar benzetiminde çerçeve sayısı (Monte Carlo denemelerinin terarlanma sayısı) 1000 olara seçilmiştir. Ayrıca her çerçeve, algılayıcı düğüm sayısına eşit sayıda zaman dilimine bölünere stati TDMA planıyla adil arşılaştırma yapma üzere uygun test oşulları oluşturulmuştur. Performans analizi için önce M 4 değeri sabit tutulup K 1,...,250 aralığında değiştirilere, algılayıcı düğüm sayısının sistem performansı üzerinde etisi gösterilmiştir. Daha sonra K 100 değeri sabit tutulup M 2,...,20 aralığında değiştirilere, ontrol düğümünde anten sayısının sistem performansı üzerinde etisi gösterilmiştir. Yapılan hesaplamalarda olaylı sağlama için genellemeyi aybetmeden ortalama SNR değeri 1 (0 db) olara alınmıştır. Düşünülen sistem modelinde varsayılan blo sönümlemeli Rayleigh analın benzetim ortamında oluşturulması için algılayıcı düğümlerin anal vetörleri her çerçevenin başlangıcında rastgele üretilmiş ve çerçeve süresince sabit tutulmuştur. Hüzme biçimlendirme vetörü ise her zaman diliminde rastgele değiştirilere algılayıcı düğümler tarafından alınan sinyal seviyesinde salınımlar tetilenmiştir. Bununla birlite, her ne adar pratite paet gönderiminde ayıplar ortaya çısa da bu ayıp oranı anal oşullarına göre değişeceğinden bilgisayar benzetiminde ideal ağ modelinden faydalanmıştır. Bu varsayımla algılayıcı düğümlerin her zaman diliminde gönderilece paete sahip olduğu ve gönderilen tüm paetlerin ontrol düğümü tarafından hatasız olara alındığı abul edilmiştir Optimum eşi seviyesi analizi Bu tez apsamında önerilen SNR ve NSNR planları için optimum eşi seviyesi ifadeleri sırasıyla (3.12) ve (3.25) eşitlileriyle verilmiştir. Ayrıca literatürde yer alan

73 70 masimum olabilirli planı için optimum eşi seviyesi (2.15) eşitliğiyle verilmiştir. Bu ifadelerden faydalanara yapılan analiti hesaplamalar yardımıyla optimum eşi seviyesinin sistem parametrelerine bağlı olara değişimi incelenmiştir. Şeil 3.6 da M 4 için optimum eşi seviyesinin algılayıcı düğüm sayısına göre değişimi gösterilmiştir. Önerilen SNR ve NSNR planlarında algılayıcı düğüm sayısı arttığında optimum eşi seviyesi yüseleceğinden paet gönderimi daha seçici gerçeleşir. Masimum olabilirli planında optimum eşi seviyesi algılayıcı düğüm sayısından bağımsızdır. Şeil 3.7 de K 100 için optimum eşi seviyesinin anten sayısına göre değişimi gösterilmiştir. Önerilen SNR planında optimum eşi seviyesi anten sayısından bağımsızdır. Önerilen NSNR planında anten sayısı arttığında optimum eşi seviyesi düşer. Masimum olabilirli planında ise anten sayısı arttığında eşi seviyesi doğrusal olara yüselir Kanal durumu analizi Bu tez apsamında önerilen SNR ve NSNR planları için başarılı paet gönderim olasılığı (3.13) ve (3.26), boş dinleme olasılığı (3.14) ve (3.27) ve çarpışma olasılığı (3.15) ve (3.28) eşitlileriyle verilmiştir. Bu ifadelerden faydalanara yapılan analiti hesaplamalar ve benzetim sonuçları yardımıyla anal durum analizi gerçeleştirilmiştir. Spetral verimliliğin artırılması için başarılı paet olasılığının yüseltilmesi büyü önem taşır. Şeil 3.8 de M 4 için başarılı paet gönderim olasılığının algılayıcı düğüm sayısına göre değişimi gösterilmiştir. Önerilen SNR ve NSNR planları için başarılı paet gönderim olasılığı 0,368 e yalaşmatadır. Buna arşın masimum olabilirli planında K 50 için başarılı paet gönderim olasılığı 0 a düşer. Şeil 3.9 da K 100 için başarılı paet gönderim olasılığının anten sayısına göre değişimi gösterilmiştir. Önerilen SNR ve NSNR planlarında başarılı paet olasılığı anten sayısından bağımsızdır. Masimum olabilirli planında ise başarılı paet gönderim olasılığı sadece M aralığında önerilen planlara yalaşır. Boş dinleme durumunda anal ullanılamayacağından alınabilece başarılı paet sayısı ve spetral verimlili düşer. Şeil 3.10 da M 4 için boş dinleme olasılığının algılayıcı düğüm sayısına göre değişimi gösterilmiştir. Önerilen SNR ve NSNR planlarında boş dinleme olasılığı 0,367 ye yalaşmatadır. Masimum olabilirli planında algılayıcı düğüm sayısı arttığında eşi seviyesini aşan algılayıcı düğüm bulunma olasılığı artar ve boş dinleme olasılığı 0 a yalaşır.

74 Önerilen SNR Önerilen NSNR Masimum Olabilirli Optimum eşi seviyesi () Algılayıcı düğüm sayısı (K) Şeil 3.6. M 4 için optimum eşi seviyesinin algılayıcı düğüm sayısı ile değişimi 8 7 Önerilen SNR Önerilen NSNR Masimum Olabilirli 6 Optimum eşi seviyesi () Anten sayısı (M) Şeil 3.7. K 100 için optimum eşi seviyesinin anten sayısı ile değişimi

75 72 Başarılı paet gönderim olasılığı Önerilen SNR (Benzetim) Önerilen SNR (Analiti) Önerilen NSNR (Benzetim) Önerilen NSNR (Analiti) Masimum Olabilirli (Benzetim) Algılayıcı düğüm sayısı (K) Şeil 3.8. M 4 için başarılı paet gönderim olasılığının algılayıcı düğüm sayısı ile değişimi Başarılı paet gönderim olasılığı Önerilen SNR (Benzetim) Önerilen SNR (Analiti) Önerilen NSNR (Benzetim) Önerilen NSNR (Analiti) Masimum Olabilirli (Benzetim) Anten sayısı (M) Şeil 3.9. K 100 için başarılı paet gönderim olasılığının anten sayısı ile değişimi

76 73 Şeil 3.11 de K 100 için boş dinleme olasılığının anten sayısına göre değişimi gösterilmiştir. Önerilen SNR ve NSNR planlarında boş dinleme olasılığı anten sayısından bağımsızdır. Masimum olabilirli planında anten sayısı arttığında optimum eşi seviyesi yüseleceğinden, algılayıcı düğümlerden hiçbiri yeterli anal alitesine ulaşamaz ve boş dinleme olasılığı 1 e yalaşır. Çarpışma durumunda algılayıcı düğümler enerji harcamasına rağmen gönderilen paetler başarılı olmayacağından spetral verimlili artmayacağı gibi ağın enerji verimliliği de düşer. Şeil 3.12 de M 4 için çarpışma olasılığının algılayıcı düğüm sayısına göre değişimi gösterilmiştir. Önerilen SNR ve NSNR planlarında çarpışma olasılığı 0,265 e yalaşmatadır. Masimum olabilirli planında ise algılayıcı düğüm sayısı arttığında eşi seviyesini aşan algılayıcı düğüm bulunma olasılığı artar ve çarpışma olasılığı 1 e yalaşır. Şeil 3.13 de K 100 için çarpışma olasılığının anten sayısına göre değişimi gösterilmiştir. Önerilen SNR ve NSNR planlarında çarpışma olasılığı anten sayısından bağımsızdır. Masimum olabilirli planında anten sayısı arttığında optimum eşi seviyesi yüseleceğinden, algılayıcı düğümlerden hiçbiri yeterli anal alitesine ulaşamaz ve çarpışma olasılığı 0 a yalaşır Spetral verimlili analizi Bu tez apsamında önerilen SNR ve NSNR planları için spetral verimlili ifadeleri sırasıyla (3.18) ve (3.31) eşitlileriyle bulunmuştur. Ayrıca literatürde yer alan stati TDMA ve masimum SNR/NSNR planları için spetral verimlili ifadeleri sırasıyla (2.1), (2.4) ve (2.7) eşitlileriyle verilmiştir. Bu ifadelerden faydalanara yapılan analiti hesaplamalar ile birlite benzetim sonuçları ullanılara spetral verimlili analizi gerçeleştirilmiştir. Şeil 3.14 de M 4 için spetral verimliliğin algılayıcı düğüm sayısına göre değişimi gösterilmiştir. Önerilen SNR ve NSNR planlarında algılayıcı düğüm sayısı arttığında ço ullanıcı çeşitlemesi azancı yüseleceğinden spetral verimlili artar. Önerilen SNR planında spetral verimlili K 25 için stati TDMA planını geçmiştir. Masimum olabilirli planında spetral verimlili önerilen planların altında olup K 50 için 0 a düşer. Bununla birlite masimum SNR/NSNR planlarında çarpışma problemi yaşanmayacağından, ço ullanıcı çeşitlemesinden en yüse azanç sağlanara masimum spetral verimlili değerine ulaşılır.

77 Önerilen SNR (Benzetim) Önerilen SNR (Analiti) Önerilen NSNR (Benzetim) Önerilen NSNR(Analiti) Masimum Olabilirli (Benzetim) Boş dinleme olasılığı Algılayıcı düğüm sayısı (K) Şeil M 4 için boş dinleme olasılığının algılayıcı düğüm sayısı ile değişimi Önerilen SNR (Benzetim) Önerilen SNR (Analiti) Önerilen NSNR (Benzetim) Önerilen NSNR (Analiti) Masimum Olabilirli (Benzetim) Boş dinleme olasılığı Anten sayısı (M) Şeil K 100 için boş dinleme olasılığının anten sayısı ile değişimi

78 Önerilen SNR (Benzetim) Önerilen SNR (Analiti) Önerilen NSNR (Benzetim) Önerilen NSNR (Analiti) Masimum Olabilirli (Benzetim) Çarpışma olasılığı Algılayıcı düğüm sayısı (K) Şeil M 4 için çarpışma olasılığının algılayıcı düğüm sayısı ile değişimi Önerilen SNR (Benzetim) Önerilen SNR (Analiti) Önerilen NSNR (Benzetim) Önerilen NSNR (Analiti) Masimum Olabilirli (Benzetim) Çarpışma olasılığı Anten sayısı (M) Şeil K 100 için çarpışma olasılığının anten sayısı ile değişimi

79 76 Şeil 3.15 de K 100 için spetral verimliliğin anten sayısına göre değişimi gösterilmiştir. Önerilen SNR planında spetral verimlili anten sayısından bağımsızdır. Buna arşın önerilen NSNR planında anten sayısı arttığında spetral verimlili de artar. Önerilen NSNR planında spetral verimlili M 8 için stati TDMA planını geçer. Masimum olabilirli planında M 10 için spetral verimlili tepe değere çısa bile stati TDMA planından daha düşütür. Diat edilirse elde edilen analiti hesaplamalar ve benzetim sonuçları birbirleriyle tam olara eşleşmiştir Sinyal alitesi analizi Bu tez apsamında önerilen SNR ve NSNR planları için başarılı paetlerin ortalama SNR değeri ifadeleri sırasıyla (3.20) ve (3.33) eşitlileriyle verilmiştir. Ayrıca literatürde yer alan stati TDMA ve masimum SNR planları için başarılı paetlerin ortalama SNR değeri ifadeleri sırasıyla (2.2) ve (2.5) eşitlileriyle verilmiştir. Bu ifadelerden yararlanara yapılan analiti hesaplamalar ile birlite benzetim sonuçları ullanılara gönderilen başarılı paetlerin sinyal alitesi analiz edilmiştir. Şeil 3.16 da M 4 için başarılı paetlerin ortalama SNR değerinin algılayıcı düğüm sayısına göre değişimi gösterilmiştir. Önerilen SNR/NSNR planlarında algılayıcı düğüm sayısı arttığında başarılı paetlerin ortalama SNR değeri artar. Bununla birlite önerilen planlarda sadece eşi seviyesi üzerinde anal azancına sahip algılayıcı düğümlerin paet gönderimine izin verildiğinden, merezi zamanlama avantajına sahip masimum SNR/NSNR planlarından daha yüse sinyal alitesine ulaşılmıştır. Şeil 3.17 de K 100 için başarılı paetlerin ortalama SNR değerinin anten sayısına göre değişimi gösterilmiştir. Önerilen NSNR planında, masimum NSNR planında olduğu gibi anten sayısı arttığında başarılı paetlerin ortalama SNR değeri artar. Buna arşın önerilen SNR planı, masimum SNR planı ve stati TDMA planında başarılı paet sinyal alitesi anten sayısından bağımsızdır Enerji verimliliği analizi Paet gönderiminde çarpışma sebebiyle boşa harcanan enerjiyi inceleme amacıyla bilgisayar benzetimine dayanan enerji verimliliği analizi gerçeleştirilmiştir. Enerji verimliliği ölçütü, gönderilen başarılı paet sayısının tüm paet gönderim girişimleri sayısına oranı olara tanımlanmıştır (Phan ve Kim, 2007).

80 77 Spetral verimlili (bit/s/hz) Stati (Benzetim) Stati (Analiti) Masimum SNR (Benzetim) Masimum NSNR (Benzetim) Önerilen SNR (Benzetim) Önerilen SNR (Analiti) Önerilen NSNR (Benzetim) Önerilen NSNR (Analiti) Masimum Olabilirli (Benzetim) Algılayıcı düğüm sayısı (K) Şeil M 4 için spetral verimliliğin algılayıcı düğüm sayısı ile değişimi Spetral verimlili (bit/s/hz) Stati (Benzetim) Stati (Analiti) Masimum SNR (Benzetim) Masimum NSNR (Benzetim) Önerilen SNR (Benzetim) Önerilen SNR (Analiti) Önerilen NSNR (Benzetim) Önerilen NSNR (Analiti) Masimum Olabilirli (Benzetim) Anten sayısı (M) Şeil K 100 için spetral verimliliğin anten sayısı ile değişimi

81 Ortalama SNR (db) Masimum SNR (Benzetim) 2 Masimum NSNR (Benzetim) Önerilen SNR (Benzetim) 1 Önerilen SNR (Analiti) Önerilen NSNR (Benzetim) Önerilen NSNR (Analiti) 0 Stati (Benzetim) Stati (Analiti) Algılayıcı düğüm sayısı (K) Şeil M 4 için başarılı paet ortalama SNR değerinin algılayıcı düğüm sayısı ile değişimi Ortalama SNR (db) Masimum SNR (Benzetim) 2 Masimum NSNR (Benzetim) Önerilen SNR (Benzetim) 1 Önerilen SNR (Analiti) Önerilen NSNR (Benzetim) Önerilen NSNR (Analiti) 0 Stati (Benzetim) Stati (Analiti) Anten sayısı (M) Şeil K 100 için başarılı paet ortalama SNR değerinin anten sayısı ile değişimi

82 79 Paet gönderiminde enerji verimliliğinin yüseltilmesi anca çarpışma sayısı azaltılmasıyla sağlanabilir. Şeil 3.18 de M 4 için enerji verimliliğinin algılayıcı düğüm sayısına göre değişimi gösterilmiştir. Bu tez apsamında önerilen SNR ve NSNR planlarında anal durum olasılılarının aynı olması sebebiyle enerji verimliliği % 58,13 e yalaşmatadır. Masimum olabilirli planında K 50 için gönderilen tüm paetler çarpışma ile sonuçlanacağından enerji verimliliği 0 a düşer. Buna arşın literatürde yer alan stati TDMA ve masimum SNR/NSNR planlarında çarpışma problemi olmadığından enerji verimliliği % 100 dür. Şeil 3.19 da K 100 için enerji verimliliğinin anten sayısına göre değişimi gösterilmiştir. Önerilen SNR ve NSNR planlarında enerji verimliliği anten sayısından bağımsızdır. Masimum olabilirli planında anten sayısı arttığında spetral verimlili ço düşü olsa da, çarpışmalar azalacağından enerji verimliliği % 100 e yalaşır Adaletlili analizi Spetral verimlili, sinyal alitesi ve enerji verimliliğinin artırılması yanında servis alitesini iyileştirme için paet gönderiminde adaletlili sağlanmalıdır. Kablosuz algılayıcı ağların pe ço uygulamasında algılayıcı düğümlerden eşit mitarda veri toplanması istenir. Bu tez apsamında önerilen SNR ve NSNR planlarında anal erişiminin algılayıcı düğümler arasında ne adar adaletli dağıldığını ölçme için bilgisayar benzetimine dayanan adaletlili analizi gerçeleştirilmiştir. Adaletlili ölçütü, en az bir defa başarılı paet gönderen algılayıcı düğüm sayısının toplam algılayıcı düğüm sayısına oranı şelinde tanımlanmıştır. Stati TDMA planında olduğu gibi bir çerçeve boyunca her zaman diliminde farlı bir algılayıcı düğüm paet gönderirse ağda adaletlili % 100 olacatır. Şeil 3.19 da M 4 için adaletliliğin algılayıcı düğüm sayısına göre değişimi gösterilmiştir. Önerilen NSNR planı, önerilen SNR planından daha iyi adaletlili sağlar. Önerilen SNR planında algılayıcı düğüm sayısı arttığında adaletlili gidere azalır. Önerilen NSNR planında ise adaletlili % 30 a yalaşır. Literatürde yer alan masimum olabilirli planında anal erişimi önerilen planlara göre daha adaletsiz olup K 50 için adaletlili 0 a düşer. Buna arşın masimum SNR ve NSNR planları, sırasıyla önerilen SNR ve NSNR planlarına göre daha adaletli paet gönderimi sağlar. Masimum SNR planında algılayıcı düğüm sayısının artmasıyla adaletlili düşeren, masimum NSNR planında adaletlili % 62 ye yalaşır.

83 Önerilen SNR Önerilen NSNR Masimum Olabilirli 70 Enerji verimliliği (%) Algılayıcı düğüm sayısı (K) Şeil M 4 için enerji verimliliğinin algılayıcı düğüm sayısı ile değişimi Önerilen SNR Önerilen NSNR Masimum Olabilirli 70 Enerji verimliliği (%) Anten sayısı (M) Şeil K 100 için enerji verimliliğinin anten sayısı ile değişimi

84 Masimum SNR Masimum NSNR Önerilen SNR Önerilen NSNR Masimum Olabilirli Adaletlili (%) Algılayıcı düğüm sayısı (K) Şeil M 4 için adaletliliğin algılayıcı düğüm sayısı ile değişimi Masimum SNR Masimum NSNR Önerilen SNR Önerilen NSNR Masimum Olabilirli Adaletlili (%) Anten sayısı (M) Şeil K 100 için adaletliliğin anten sayısı ile değişimi

85 82 Şeil 3.20 de K 100 için adaletliliğin anten sayısına göre değişimi gösterilmiştir. Önerilen SNR ve masimum SNR planlarında anten sayısı arttığında paet gönderimi daha adil gerçeleşir. Buna arşın önerilen NSNR ve masimum NSNR planlarında adaletlili anten sayısından bağımsızdır. Masimum olabilirli planında adaletlili M için tepe değerine sahip olup, önerilen SNR planını yaalar. Kanal erişiminde masimum adaletlili sunan stati TDMA planı bu grafilerde gösterilmemiştir.

86 83 4. ÖNERİLEN PLANININ UZAYSAL ÇEŞİTLEME İLE GELİŞTİRİLMESİ Hücresel mimarili ablosuz algılayıcı ağlarda yuarı bağlantı analında paet gönderimini organize etme için bu tez çalışmasında önerilen fırsatçı paet gönderim planı üçüncü bölümde detaylı şeilde açılanmıştır. Önerilen planın ontrol düğümünde olduğu gibi algılayıcı düğümlerin de çolu antenler ile donatıldığı MIMO sistem modeli üzerinde uygulanması durumunda, mevcut ço ullanıcı çeşitlemesi azancı yanında uzaysal çeşitleme azancından faydalanara daha fazla performans artışı sağlanabilir (Ajib ve Haccoun, 2005). Algılayıcı düğümler üzerinde çolu antenlerin ullanılması durumunda RF zinciri genişleyeceğinden, alıcı/verici devresinde enerji tüetimi anten sayısıyla orantılı olara artacatır (Jayaweera, 2004; Ryoo ve Bah, 2009). Buna arşın bağımsız sönümlemeli yollardan alınan/gönderilen sinyal terarları ullanılara bağlantı güvenilirliğinin yüseltilmesiyle, paet gönderiminde harcanan enerji algılayıcı düğümler üzerinde te anten bulunan sistem modeline göre azaltılabilir (Foschini ve Gans, 1998; Cui ve ar., 2004; Bölcsei ve Paulraj, 2002). Önerilen plan MIMO sistem modelinde uygulandığında, anal durumlarının belirlenmesi için algılayıcı düğümler üzerindei çolu antenlerden alınan sinyaller SC ve MRC gibi doğrusal birleştirme tenileri yardımıyla değerlendirilere efetif SNR (ESNR) değeri elde edilir. Doğrusal birleştirme işlemi için seçilen teniğe bağlı olara algılayıcı düğümlerin paet gönderim ararlarını belirleyen eşi seviyesi optimizasyonu ii farlı şeilde gerçeleştirilmiştir. SC ve MRC tenileri ile bulunan optimum eşi seviyesi ifadeleri yardımıyla, önerilen plan ESNR metriği ullanılara uygulanmıştır Sistem Modeli İlgilenilen sistem modeli yine bir adet ontrol düğümünün K adet algılayıcı düğüme hizmet verdiği hücresel mimarili ablosuz algılayıcı ağın te bir hücresidir. Kontrol düğümü M adet anten ile donatılmışen algılayıcı düğümler üzerinde L adet anten bulunmatadır. Kontrol düğümünün sinyal işleme ve haberleşme yeteneleri baımından algılayıcı düğümlere göre daha güçlü olduğu abul edilmiştir. Buna dayanara ontrol düğümünde anten sayısının algılayıcı düğümlerdei anten sayısından daha fazla veya en ötü durumda eşit olduğu M L varsayılmıştır. Ayrıca ontrol düğümünde olduğu gibi algılayıcı düğümlerde çolu antenlerin ullanımı için fizisel boyut ve enerji tüetimi ısıtlamalarında esneli öngörülmüştür.

87 Kanal ve Sinyal Modeli Düşünülen MIMO sistem modelinde algılayıcı düğümü ile ontrol düğümü arasındai L M boyutunda anal matrisi H [,1,2..., ] H h h h L ile gösterilmiştir. Kanal matrisinin her satırı h, l ontrol düğümü ile algılayıcı düğümünün l anteni arasındai M 1 boyutunda anal vetörüdür. Kanal vetörünün her elemanı h,, m 1,..., M, l 1,..., L ve 1,..., K olma üzere, ontrol düğümünün m anteni ile algılayıcı düğümünün l anteni arasındai anal azanç atsayısıdır. Kanal azanç atsayıları bağımsız ve özdeş olara dağıtılmış, dairesel simetriye sahip, sıfır ortalamalı, varyanslı, armaşı Gauss dağılımlı rastgele değişenlerdir, h,, (0, ). l m l m Aşağı bağlantı fazında pilot sinyal yayını Önerilen ESNR planının aşağı bağlantı anal ve sinyal modeli Şeil 4.1 de gösterilmiştir. Aşağı bağlantı fazında belirli bir p zaman diliminde pilot sinyal yayını için M 1 boyutunda hüzme biçimlendirme vetörü w p [ w p 1... w p ] T M ontrol düğümü tarafından rastgele oluşturur. Bu hüzme biçimlendirme vetörü, ontrol düğümünden algılayıcı düğümünün l antenine anal vetörü ile aynı dağılıma sahip olup pilot sinyal p gönderim gücünü sabit tutma için normalleştirilmiştir, w h, l / h, l. Pilot sinyal x( n ), gönderim gücü * Px E x ( n) x( n) olma üzere hüzme biçimlendirme vetörüyle çarpılara çalışma sahası üzerinde yayınlanır. Bu durumda algılayıcı düğümü tarafından alınan sinyal ifadesi, DL p p p y ( n) H w x( n) z ( n) n 1,..., N (4.1) olara elde edilir. Burada z p ( ) p,1( )... p n z n z, L( n) vetörü elemanları dairesel simetriye sahip, sıfır ortalamalı, 2 varyanslı armaşı toplanır beyaz Gauss gürültüsünü gösterir, p p anal vetörü z 2, l (0, ). Bununla birlite algılayıcı düğümü bileşi q H w ile gösterilirse alınan sinyal ifadesi,

88 85 y p ( n) q p x( n) z p ( n) (4.2) şelinde yeniden yazılabilir. Diat edilirse hüzme biçimlendirme vetörünün her zaman diliminde rastgele değiştirilmesiyle, algılayıcı düğümü bileşi anal vetörü bir zaman diliminden diğerine değişir. Bu durumda algılayıcı düğümünün l anteninden alınan sinyal, p H p p, l, l, l y ( n) h w x( n) z ( n) (4.3) olara ifade edilir. 1 z p 1,1( n ) y p 1,1( n ) p a 1, 1 v 1 ( n) L z p L 1, ( n) y p L 1, ( n) p a 1, L Kontrol Düğümü x(n) p w 1 p w 2 p w M 1 2 M 1 L z p, 1( n) z p, L n Doğrusal Birleştirme ( ) y p, 1( n) y p, L n ( ) p a, 1 p a, L (n) v Doğrusal Birleştirme Hüzme Biçimlendirme 1 z p K, 1( n) y p K, 1( n) p a K, 1 K L z p K, L n ( ) y p K, L n ( ) p a K, L v K (n) Algılayıcı Düğümler Doğrusal Birleştirme Şeil 4.1. Önerilen ESNR planı için aşağı bağlantı anal ve sinyal modeli

89 86 Yol aybı ve diğer bozucu etenler anal vetörünün içinde birleştirilip gönderilen pilot sinyal gücünün gürültü gücüne oranı şelinde tanımlanan ortalama SNR değeri 2 P x / 1 (0 db) abul edilirse, herhangi bir p zaman diliminde algılayıcı düğümünün l anteninden ölçülen SNR değeri, ( w ) h h w (4.4) p p H H p, l, l, l ifadesi ullanılara hesaplanır. Algılayıcı düğümler üzerinde tüm antenlerden alınan sinyallerin doğrusal birleştirme tenileri ullanılara birlite değerlendirilmesiyle ESNR değeri elde edilir. Bu şeilde bağımsız antenlerden alınan sinyaller L 1 p p p boyutunda ağırlı verme vetörü a a,1... a, L ile çarpılara algılayıcı düğümünden alınan sinyal ifadesi, T L H * v ( n) a y ( n) a y ( n) (4.5) p p p p p, l, l l1 şelinde bulunur. SC teniği ullanılara çeşitleme birleştirme (diversity combining) gerçeleştirilirse, algılayıcı düğümü sadece alınan SNR değerinin masimum olduğu, l * 1l L p, l arg max (4.6) anteninden alınan sinyali değerlendirme suretiyle ESNR değerini belirler. Bu durumda ağırlı verme vetörü elemanları, a p, l * 1 l l (4.7) 0 diğer olara belirlenir. Buna göre algılayıcı düğümünde alınan sinyal ifadesi,

90 * v ( n) a y ( n) h w x( n) z ( n) (4.8) p p p H p p, l *, l *, l *, l * 87 şelinde bulunur. Dolayısıyla algılayıcı düğümünde ölçülen ESNR değeri ( w ) h h w max (4.9) p p H H p p p * * *, l, l, l, l 1l L ifadesi ullanılara hesaplanabilir (Pun ve ar., 2011). SC teniğinde algılayıcı düğümler üzerinde sadece en güçlü sinyal alınan anten değerlendiriliren diğer antenlerden alınan sinyaller göz ardı edilir. Buna arşın alıcı çeşitlemesi ullanıldığında optimal sonuç veren MRC teniğinde, farlı antenlerden alınan sinyallerin genliği ve fazı diate alınara ESNR değerini masimum yapılaca şeilde ağırlı verme vetörü p a belirlenir. ESNR değerinin masimum olması için ağırlı verme vetörünün elemanları, algılayıcı düğümlerin bileşi anal vetörüne p p q H w eşit olmalıdır. Faat yuarı bağlantı analında algılayıcı düğümlerin paet gönderim gücünü sabit tutma için ağırlı verme vetörü, a p p Hw p Hw (4.10) şelinde normalleştirilmiştir. Buna göre algılayıcı düğümünde alınan sinyal ifadesi, H p p Hw p p v ( n) x( n) ( n) p H w z H w p H p p H w H w H w p x( n) z ( n) p p H w H w H (4.11) olara elde edilir. Bu şeilde algılayıcı düğümünde ölçülen ESNR değeri, L p p 2 p Ηw, l l1 (4.12) ifadesi ullanılara hesaplanır (Pun ve ar., 2011).

91 Yuarı bağlantı fazında paet gönderimi Önerilen ESNR planının yuarı bağlantı anal ve sinyal modeli Şeil 4.2 de gösterilmiştir. Yuarı bağlantı fazında algılayıcı düğümler paet gönderimi için anal azançlarını, tercih edilen doğrusal birleştirme yöntemine bağlı olara önceden belirlenen eşi seviyesi ile arşılaştırır. Belirli bir p zaman diliminde eşi seviyesi p üzerinde anal azancına sahip algılayıcı düğümü sahip olduğu paeti s ( n ) aşağı bağlantı analında ullanılan pilot sinyal gücüne eşit güçte (P P ) ontrol düğümüne gönderir. Kontrol düğümünde elde edilen M 1 boyutunda alınan sinyal vetörü ifadesi s x UL p H p p p t ( n) H a s ( n) z ( n) n 1,..., N (4.13) olara elde edilir. Burada z p ( n) [ z p 1 ( n)... z p ( )] T M n terimi elemanları dairesel simetri, armaşı, ortalaması sıfır ve varyansı gürültüsü vetörünü simgeler, zm anteninden alınan sinyal ifadesi ise, 2 olan M 1 boyutunda toplanır beyaz Gauss 2 (0, ). Benzer şeilde ontrol düğümünün m p H p p p m, m m t ( n) h a s ( n) z ( n) (4.14) olara bulunur. Burada h, m terimi algılayıcı düğümünün tüm antenlerinden ontrol düğümünün m antenine L 1 boyutunda anal vetörü ve m anteninden alınan gürültüdür. p z m terimi ontrol düğümünün Kontrol düğümünde alıcı çeşitlemesi uygulanara tüm antenlerden alınan sinyallerin doğrusal birleştirilmesiyle alınan paetlerin ESNR değeri yüseltilir. Yuarı bağlantı fazında ullanılan ağırlı verme vetörü, aşağı bağlantı fazında ullanılan hüzme biçimlendirme vetörüyle özdeştir. Kontrol düğümünün tüm antenlerinden alınan sinyallerin ağırlılı toplamı şelinde elde edilen birleştirilmiş sinyal ifadesi, p ( ) ( p H ) M p p * p ( ) ( m) m( ) m1 r n w t n w t n (4.15)

92 89 olara bulunur. (4.15) eşitliğinde (4.13) ve (4.14) eşitlileri ullanılara birleştirilmiş sinyal, p p H H p p p H p r ( n) ( w ) H a s ( n) ( w ) z ( n) h, a M * * p H p p p p wm m s ( n) wm zm( n) m1 (4.16) şelinde ifade edilir. Bu şeilde ontrol düğümünde alınan paet için ESNR değeri, w H a p p H H p 2 ( ) (4.17) ifadesi ullanılara hesaplanır. p a 1, 1 p a 1, L s 1 ( n) p w 1 1 ( n p w 2 z p 1 ( n) t p ) z p ( ) 2 n p a, 1 r(n) t p 2 ( n) p a, L (n) s p w M z p M (n) t p M (n) p a K, 1 p a K, L s K (n) Şeil 4.2. Önerilen ESNR planı için yuarı bağlantı anal ve sinyal modeli