5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), 13 15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye BİLİŞSEL RADYO VE ORTAM ERİŞİM KONTROL KATMANI PROTOKOLLERİ MAC LAYER PROTOCOLS FOR COGNITIVE RADIO Cebrail ÇİFLİKLİ a* A. Turgut TUNCER b, A. Tuncay ÖZŞAHİN c ve S. Murat YESBEK d a Erciyes Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Müh. Böl., Kayseri, Türkiye, E-posta : cebrailc@erciyes.edu.tr b * Başkent Üniversitesi, TBMYO, Ankara, Türkiye, E-posta: ttuncer@baskent.edu.tr c Erciyes Üniversitesi, KMYO., Kayseri, Türkiye, E-posta : atozsahin@erciyes.edu.tr d Erciyes Üniversitesi, KMYO., Kayseri, Türkiye, E-posta : myesbek@erciyes.edu.tr Özet Bu bildiride, BR (Bilişsel Radyo) için Ortam Erişim Kontrol (Medium Access Control (MAC)) protokolleri incelenmiştir. BR teknolojisi, spektrumu sezme ve ölçme sonucu spektrumu kullanan lisanslı kullanıcının olup olmadığını belirleyerek kıt olan kablosuz bandgenişliğinin adil ve etkin paylaşımında önemli rol oynar. Ayrıca, gelecekte değişen ortamlarda, farklı çalışma koşullarında artan kullanıcı sayısı ve hizmet taleplerini etkin bir biçimde karşılayabilecek BR, mevcut spektrum yetersizliği sorununa çözüm içeren ve birçok fırsatlar barındıran yeni bir teknolojidir. Kablosuz MAC protokolleri farklı mimariler, uygulamalar ve ortamlar için yoğun araştırma alanlarındandır. Bu çalışmada, paylaşılan ortama düzenli erişim için gereken kuralları belirleyen MAC protokolleri özellikleri gözden geçirilmiş, son olarak, BR özellikleri ve yeni MAC tasarımında gözetilmesi gereken işlevler tanıtılarak, araştırma alanlarının altı çizilmiştir. Anahtar kelimeler: Bilişsel Radyo, MAC katmanı Protokolleri Abstract In this paper, MAC layer protocols for Cognitive Radio (CR) were investigated. Since existing spectrum is limited and could not efficiently be used, new way of searchings to solve this problem are brought forth. In order to meet expanding need of frequency spectrum and increase efficiency, determination of spectrum holes by continual sensing of spectrum environment and usage of available spectrum holes are the one of the such approximations. Different than today s static communication systems, BR technology which include many new opportunities will be a solution to increasing users and service demands effectively on changing environments and different working conditions by solving spectrum scarcity issue. For different architecture, application and environments, wireless MAC protocol are intensive research areas. In this study, MAC protocol characteristics that determine required rules to share medium orderly was reviewed. Finally, BR characteristics and functions regarding on new MAC design was introduced and underlined new research area. Keywords: Cognitive Radio, MAC Layer Protocols 1. Giriş Geçmişte lisansa dayalı sabit spektrum esasına göre tahsis edilen spektrumlarda verimliliğin oldukça düşük olduğu gözlenmiştir. TV bandları gibi sabit tahsisli bandlardan yeterli şekilde yararlanılamazken, spektrumun bazı kısımlarını lisans gerektirmeyen teknolojilere (WLAN, Bluetooth ve UWB gibi) açmak bu bandlar da aşırı kullanım sonucu sıkışıklara neden olmuştur. Spektrumun lisans gerektirmeksizin kablosuz teknolojilerin kullanımına açılması kablosuz teknolojilerin büyümesini artırırken, gerek güç gerekse bandgenişliği bakımından sınırlı olan bu teknolojiler bulundukları bandlar da sıkışıklığa neden olmaktadırlar. Lisans gerektirmeyen bandlardaki bu sıkışıklık ya ek spektrum tahsisini veya spektrumdan daha verimli faydalanmayı gerektirmektedir. BR, spektrumun kullanılmayan kısımlarına fırsatçı erişimle ulaşarak spektrumdan faydalanan, lisanslı kullanıcılarda girişim oluşturmayan ve düzenleyici kuruluş politikalarını da dikkate alarak, dinamik olarak iletişim özelliklerini değiştirebilme kapasitesine sahip yeni bir kablosuz teknolojidir. Mevcut kablosuz şebekelerle BR sistemleri arasındaki temel farklılıklar aşağıdaki şekilde tanımlanabilir: BR, kullanıcılarının 1) Uygun boş spektrum kısımlarını belirleme ve lisanslı spektrumda da faal halde bir lisanslı kullanıcı olduğunda, lisanslı kullanıcıların varlığının algılanması, 2) Uygun en iyi kanal seçimini, 3) Bu kanala diğer lisanslı kullanıcılarda girişim oluşturmaksızın erişim için gereken eşgüdüm sağlanmasını ve 4) kanala dönme niyetindeki lisanslı kullanıcı belirlendiği zaman kanalın boşaltılmasını mümkün kılar. Mevcut MAC protokollerinde bulunan, bluetooth daki frekans-atlama, hücresel ağların kanal tahsisi, IEEE802.11b sisteminin kanal seçimi ve çoklu-kanal çokluradyo iletişimi gibi birçok özellikler kısmen BR nun davranışlarını sergilemekle beraber, BR ya uygulanamazlar. Herhangi bir kurala dayanmaksızın, belirtilen mekanizmaların uygulanması lisanslı kullanıcılar üzerinde ciddi zararlara neden olur. Bu nedenle, BR kavramının gerçekleştirilmesi için yeni MAC protokolleri gerekmektedir. MAC mevcut sistemlerde, Data Link Kontrol (Data Link Control-DLC) katmanının alt kısmı olarak düşünülür. Aynı zamanda, MAC katmanı tarafından üst DLC katmanına verilen hizmet, ortama erişmek isteyen paketin hangisi olacağına karar veren veya paketi engelleyen bir boru görevi görmektedir. Katman yaklaşımı takip edildiğinde IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye
MAC de görevler altta bulunan fiziksel katman dikkate alınmadan yerine getirilir. MAC protokol tasarımlarının iş çıkarma yeteneği (throughput) yüzdesini azami seviyeye çıkarması, Kabul edilebilir bir gecikmeyi (delay) garantilemesi, Adil erişim (fairness) imkanı sunmayı hedeflemesi gerekir. MAC tasarımında yukarıda belirtilmeyen diğer değişkenler de mevcut olup, bu değişkenler genelde özel bir MAC veya özel bir kurgu ile ilişkilidir. Belirtilen hedefler, değişen kanal şartlarını, trafik özelliklerini ve ağ topolojilerini dikkate alan dinamik bir ortamda gerçekleşmelidir. Ayrıca MAC tasarımında istenen bir diğer özellik esnekliktir. Bu makalede, Mevcut MAC protokolleri özellikleri gözden geçirilmiştir. BR ağlarının MAC tasarımında karşılaşılan birçok konu geçmişte kablosuz şebekelerin MAC tasarımlarında karşılaşılan benzer sorunlardır. Bu nedenle bu makalenin amacı iki tanedir. Bunlar, Mevcut MAC protollerinin özelliklerini incelemek ve BR özel niteliklerinin mümkün kıldığı yeni MAC tasarımında gözetilmesi gereken işlevler tanıtmaktır. Bu amaçlara ulaşabilmek için, bu makalede kablosuz ağlar için benimsenen birkaç örnek çözüm gözden geçirilecektir. Detaylı olmamasına rağmen, böyle bir bakış MAC tasarımında BR a özgü konuların incelenmesi için gereken temeli sağlayacaktır. Bu makale, şu şekilde düzenlenmiştir. 2. kısımda mevcut MAC protokollerinin özellikleri gözden geçirilmiş ve sınıflandırlmıştır, 3. kısımda BR nun fiziksel katman MAC katmanının özellikleri açıklanmış, 4. kısımda BR- MAC katmanında cevaplanması gereken bazı sorular verilmiştir. Sonuç kısmı ise 5.kısımda sunulmuştur [1-3]. 2. Mevcut MAC Protokol Özellikleri ve Sınıflandırılması Kablosuz MAC protokolleri, kablosuz ağların mimari yapılarına göre dağıtık (altyapı gerektirmeyen) ve merkezi (altyapı gerektiren) ağlar olmak üzere yapılarına göre sınıflandırılabilir. Sabit bir altyapıyı gerektiren ağlara, Kablosuz Yerel Alan Ağı (Wireless Local Area Network- WLAN) ve hücresel ağ (GSM) gibi) sistemlerini, dağıtık ağlara ise tasarsız ağlar (ad hoc) örnek verilebilir. Merkezi ağlarda (Altyapı gerektiren), gezgin uçlar sabit altyapıya ait bir erişim noktasına (ağ geçidi, baz istasyonu) tek sekmeli (single-hop) kablosuz bağ (link) yoluyla erişirler. Baz istasyonunun etki alanı (uzay) hücrelere bölünmüştür. Baz istasyonu hücrelerinde barındırdığı gezgin uçlarla iletişimde bulunmaktan sorumludur. Gezgin uçlar iletişim esnasında hücre değiştirebilir. Gezgin uçların, alınan gücün ölçümü sonucu, etki alanında bulunulan baz istasyonundaki bir başka kanala veya bir başka baz istasyonu etki alanındaki bir başka kanala (taşıyıcı değiştirme) geçip, geçilmeyeceğine karar verilir. Merkezi kablosuz ağlarda baz istasyonundan gezgin uçlara doğru iletişim yayın şeklinde olur ve bu yayını şebekedeki tüm cihazlar duyar. Gezgin uçlardan baz istasyonuna doğru kurulan bağ ise tüm düğümlerce paylaşıldığından dolayı, çoklu erişim kanalıdır. Altyapılı ağlarda, etki alanında merkezi denetimi sağlayan baz istasyonun bulunması MAC protokolü tasarımında büyük esneklik ve kolaylık sağlar. Baz istasyonu, hizmet kalitesini (QoS) gözeterek gezgin uçtan baz istasyonuna arasındaki bağlantıyı düzenler. Altyapılı ağlar hem TDD hemde FDD kipinde çalışabilir. Kablosuz kanalda iletşim zamanının belli anlarda gerçekleştiği siatemlere dilimli (slotted) sistemler denir. Dilimli sistemler tüm ağda zaman eşzamanlaması gerektirir. Eşzamanlama altyapılı ağlarda baz istasyonu tarafından kolaylıkla sağlanırken, dağıtık ağlarda zordur. Dilimli sistemde bir dilim temel zaman birimidir. Bu dilim, küçük bir paket taşıyacak kadar büyüktür. Dağıtık ağlar, hiçbir sabit altyapının olmadığı, çok az sabit altyapının var olduğu, ya da mevcut bir sabit altyapıya erişimin güçlükle yapıldığı bölgelerde, gezgin uçlara, çokluortam iletişim hizmetlerini sunabilir. Bu yeni ağ mimarisinin asıl amacı, sabit altyapılı gezgin ağlara göre, kullanıcılara daha fazla esneklik, hareketlilik sağlamak ve ağ yönetimini kolaylaştırmaktır. Bir dağıtık ağ ortamında iletim menzili, teknik kısıtlar ve çevresel etkiler nedeniyle değişken ve sınırlıdır. Bu teknik kısıtlar ve etkiler; gönderim gücü, alıcı duyarlılığı, gürültü ve diğer kanalların etkisi, yol-kaybı (path-loss), gölge yitimi (shadow fading), Raleigh yitimi (Raleigh fading), Doppler kayması şeklinde sıralanır. Dağıtık bir kablosuz ağda frekans dönüşümü yapılamadığından, tüm veri alış-verişi aynı frekansta olur. Bu nedenle, bütün tasarsız ağlar TDD kipinde çalışır.bir dağıtık ağın tasarımı için gerekenler, sabit altyapılı ağlara göre çok farklıdır. Düğüm gezginliği, telsiz ortamda gönderimden kaynaklanan problemler ve güç tüketimi karşılaşılan en büyük zorluklardır. Ağ ölçeklenebilirliği ağ tasarımında diğer bir önemli sorundur. Ağ yapılarına göre sınıflandırmanın altında ise, çalışma kiplerine göre sınıflandırılırlar. Bunlar, rasgele erişim protokolleri (random access protocols), garantili erişim protokolleri (guaranteed access protocols) ve melez erişim protokolleri (hybrid access protocols). Rasgele erişim protokolünde gezgin uçlar ağa erişmek için çekişir. Dağıtık erişim yoğuşmalı (Bursty) trafik için daha uygun iken, sürekli veri paketi akışının iletimi zorunlu olduğunda, merkezi erişim daha etkin bir kanal kullanım imkanı sunar. Buna rağmen, ağ hizmet vermeye başladığında merkezi erişim genelde hazır olmadığından, merkezi erişim durumunda bile, dağıtık erişim aşaması gereklidir. Rasgele Erişim Protokollerinde tek bir gezgin uç iletişimde bulunmak istediğinde, paket yerine başarılı bir şekilde ulaştırılırken, birden çok gezgin uç ağa erişmeye çalıştığında ise, çarpışma meydana gelir. Düğümler, çarpışmayı Çekişme Çözünürlük Algoritmasında (Contention Resolution Algorithm-CRA) belirlenen kurallara göre düzenli bir şekilde çözerler. Aloha, CSMA ve Band-dışı işaretleşme rasgele erişim protokollerine tipik örneklerdir. Aloha nın esas üstünlüğü basit oluşudur. Aloha protokolü iletişim başlamadan önce veri paketlerine CRC alanı eklemeyi öngörür. Eğer bir çarpışma olursa, kesintiye uğrayan paketin yeniden iletilebilmesi amacı ile bir geri alma (backoff) süreci başlatır. Aloha nın trafik yükünün düşük olduğu ağlarda oldukça iyi sonuçlar verdiği ispatlanmıştır. Paket uzunluğunun artması ve trafik yükü arttığında verim aniden düşer. Dilimlenmiş zaman ekseninden esinlenerek geliştirilen dilimli Aloha da ise, gezgin uçlar iletişimi başlatmaya
yalnızca bir zaman diliminin başında teşebbüs eder, bu gerçekte sorunu çözmeksizin verimi artırır. Bu nedenle, Aloha kısa, seyrek paket iletimi söz konusu olduğu durumlar için önerilmiştir (kontrol paketleri gibi). Trafik yükünün çok fazla olduğu durumlarda, yüksek iş çıkarma yeteneği (throughput) iletişime başlamadan önce her gezgin uç tarafından kanal sezinleme süresi esasına dayanan Taşıyıcı Sezinlemeli Çoklu Erişim (Carrier Sense Multiple Access-CSMA) yardımı ile sağlanabilir. Bununla beraber, CSMA ile elde edilen başarımı Birincil karışım (Hidden Terminal) ve ikincil karışım (Exposed Terminal) olarak bilinen sorunlardan çok fazla etkilenir. Birincil ve ikincil karışın sorunlarını çözmek için, CSMA a çözümleri önerilmiştir. Çarpışma önlemeli çoklu erişim (Multiple Access with Collision Avoidance-MACA) protokolü alıcı ve verici arasındaki taşıyıcı sezinleme sürecini üç aşamalı bir el sıkışma süreci ile değiştirir. MAC protokollerinin pratikteki uygulamaları el sıkışma ile taşıyıcı sezinlemeyi birleştirirler. Bu protokoller genel olarak Çarpışma Önlemeli Taşıyıcı Sezinlemeli Çoklu Erişim (CSMA-CA) olarak bilinir. CSMA-CA ya örnek olarak IEEE 802.11 standardının MAC katmanı geliştirilen DFW MAC (Distributed Foundation Wireless MAC) verilebilir. 802.11 bir kanal sezinleme görevi olan temiz kanal değerlendirmesi (Clear Channel Assesment-CCA) işlevini ya alınan gücü ölçerek ve bir eşik değeri ile karşılaştırarak veya aynı kanaldaki bir başka 802.11 işaretini belirlemek suretiyle gerçek taşıyıcı algılaması yaparak gerçekleştirir. Band-Dışı İşeretleşme (Out-of-Band Signalling) protokolüde ise, iletişim için kullanılan bandgenişliğini iki kanala ayırır. Paket değişim amacı ile kullanılan bir kanal ve meşgul tonlar olarak da bilinen sinüsoidal işaretlerin kullanıldığı bir darband kanalın, birincil karışıma neden olan gezgin uçlarca üretilen girişlerden kaçınmak amacı ile verici ve/veya alıcı gezgin uçlarca kullanımını önerir. Garantili Erişim protokolü oluşturmanın Ana-Uydu ilişkili ve jeton değiştirmeli olmak üzere iki yolu vardır. Ana-uydu ilişkisinde, ya gezgin uç düğümleri sabit altyapıya ait bir erişim noktasına (ağ geçidi, baz istasyonu) tek sekmeli (single-hop) kablosuz bağ (link) yoluyla erişirler veya ilk bağlantı kurmaya çalışan düğüm ana (baz istasyonu) rolü üstlenerek diğer düğümlere (gezgin uç) yoklama (poll) işareti gönderir. Bu yoklamaya cevap veren gezgin uçlarla bir ağ oluşturulur. Bu tür protokoller oylama (polling) protokolü olarak bilinir. Dağıtılmış durumda ise, bağımsız gezgin uçlar ağ oluşturmak için işbirliği yaparlar. MAC katmanında ağın kendi kendine organize olabilmesi etki alanı bağımsız (flat) ve her öbeğin (cluster) bir MAC etki alanına karşılık gelen öbek ağ mimarisinin işaret edildiği etki alanı bağımlı (clustered) olmak üzere iki yaklaşım söz konusudur. Bir öbek mimari her öbek içinde merkezi bir yaklaşıma izin vererek kaynak yönetimini basitleştirir. Bluetooth ve IEEE 802.15.3 etki alanı bağımlı MAC protokollerine iki örnektir. Bluetooth da Frekans Atlamalı Kod Bölmeli Çoklu Erişim (FH-CDMA) tipi uyarlanmış ve her MAC etki alanı bir FH sıralaması ile birleştirilmiştir. Her bir etki alanı içindeki gezgin uçlar kendi kendilerine organize olarak MAC etki alanlarını (Piconet) oluştururlar. Her MAC etki alanı en fazla sekiz gezgin uçdan oluşur. Her piconet içerisinde merkezi bir kaynak yönetimi sağlanır. Bir etki alanı içerisindeki bağımsız piconet grubu scatternet olarak isimlendirilir. MAC etki alanı oluşturmaya, bir gezgin ucun özel bir tarama süreci yardımı ile komşularını araştırma aşamasıyla başlanır. Taramayı başlatan gezgin uç piconet in ana gezgin ucu rolünü üstlenir. Piconet i başlatacak FH sıralamasını ve bulunan komşularının (bağımlı-uydu) her biri için sayfalar belirlenir. Ana gezgin uç tarafından oluşturulan kişisel sayfalar yardımı ile diğer cihazlar da piconet e dahil edilebilir. Piconet dışındaki bir gezgin uç gerektiğinde ana gezgin uçla radyo bağlantısı kurmak suretiyle herhangi bir faal piconet e katılabilir. Bluetooth da radyo bağlantısı kuran gezgin uç daima ana gezgin uç olduğundan, eğer yeni bir gezgin uç bağlantı kurmak istiyorsa, yeni gezgin ucun piconet te uydu görevini kabul ettiği anlaşılır ve Ana-uydu anahtarlama işlevi gerekir. Ana-uydu anahtarlama işlemi istek durumunda yerine getirilir. Anahtarlamanın ne zaman yapılması gerektiği ilgili bir kural tanımlanmamıştır. IEEE 802.15.3 bir diğer bağımlı etki alanı MAC örneğidir. Standart ISM bandındaki geleneksel darband fiziksel katmanlar için geliştirilmiştir. 802.15.3 de buletooth da olduğu gibi, ortam erişimi her MAC piconet i içinde merkezi olarak kontrol edilir. Bir piconet periyodik parıldak yayan bir piconet denetçisi (piconet Controller-PNC) tarafından denetlenir. Düşük girişimli kanalların belirlendiği tarama metoduna dayalı seçimle piconet kanalla ilişkilendirilir. Piconet in oluşturulmasının başlangıcında her hangi bir özel gezgin uç hedef alınmaz. Bu tamamen komşu gezgin uçların eşzamanlama parıldağı ve ya dilimli-aloha veya CSMA şeklindeki rasgele paketler yardımı ile PNC ye bir ilişki isteği gönderilmesine bağlıdır. İlişkili gezgin uçlar, CSMA protokolü yardımı ile kanal zamanı tahsisi (Channel Time Allocation-CTA) (veya zaman dilimi) için istekte bulunur. Bluetooth daki ana gezgin uç yönetici rolünden farklı olarak, IEEE 802.15.3 de PNC daima en yüksek PNC kapasitesine sahip gezgin ucu atar ilişkilendirme işlemi esnasında her gezgin ucun PNC rolü üstlenebilme yeteneğini bildirmesi istenir. Eğer en son ilişkilendirilen gezgin uç mevcut olan PNC den daha uygunsa, bir PNC değiştirme işlemi gerçekleştirilir. PNC ve ana gezgin uç piconet in yönetimi ile ilgili olarak her iki standartta da trafik planlama ve piconet eşzamanlamasını da içeren benzer görevler yerine getirirler. İki sistem arasındaki ana fark piconet e doğru olan veri trafik akışı şeklindedir. Blutooth da, iki gezgin uç arasındaki doğrudan iletişime izin verilmez ve ana gezgin uç ağdaki tüm trafik akışını düzenlemekten sorumludur. Bu durumda, piconet topolojisi şekil 1a da görüldüğü gibi yıldızdır. 802.15.3 de ise bluetooh un aksine, PNC veri paketlerinin değişimine karışmaksızın yalnızca cihazlara CTA ları planlar. Böylece, piconet yönetimi tamamen merkezi hale gelirken, veri iletişimi eşdüzeyler (peer-to-peer) esas alınarak sağlanır. Piconetler arasındaki iletişimin nasıl sağlanacağı iki sistem için ortak sorundur. Birçok piconet içeren ağlarda başta trafik planlama ve yönlendirme olmak üzere ölçeklenebilirlik önemli bir konudur. Bluetooth topolojisi Şekil-1b de görüldüğü gibidir. Jeton Değiştirmeli dağıtık tip ikinci garanti erişim protokolü tipidir, bu sistemde yanlızca jetonu alan gezgin uç veri
gönderebilir. Veriyi gönderdikten sonra gezgin uç jetonu sonraki gezgin istasyona geçirir. Bu protokoller, jeton geçişli protokoller olarak bilinir. Şekil 1. Mantıksal piconet topolojileri: denetleme trafiği (kesikli oklar) ve veri trafiği (düz oklar) Melez erişim protokollerinde ise, yukarıda belirtilen protokollerin iyi yanlarını alarak daha etkin MAC protokolleri olarak geliştirilmiştir. Her gezgin uç, o anda tamponunda bulunan veriyi göndermek için ne kadar süre ve bandgenişliği gerektiğini belirterek, baz istasyonuna istekte bulunur. İstek rasgele erişim protokolü kullanılarak yapılır. Baz istasyonu gelen istekleri değerlendirerek gerçek verinin gönderilmesi için bir zaman dilimi tahsis eder ve her gezgin uca bu zaman dilimi hakkında bilgi verir. Melez erişim protokolleri ve oylama protokollerinin çalışma kipleri gereği bir merkezi düğüme gereksinim duyarlar. Bu nedenle, bunlar merkezi MAC protokolleri başlığı altında sınıflandırırlar. Diğer yandan, rasgele erişim protokolleri merkezi veya dağıtık yapıda çalışabilir. Ayrıca, jeton-geçiren protokolleri dağıtık yapıda kullanabilmek mümkün iken, kablosuz kanalın zaman içinde değişmesi jeton geçirme işleminde çok sayıda jeton kayıplarına neden olduğundan dağıtık yapıda sağlıklı çalışmazlar. Kablosuz MAC protokollerinin sınıflandırılması Şekil 2 de verilmiştir. [3-6] Dağıtık MAC Protokolleri Rasgele Erişim Kablosuz MAC Protokolleri Merkezi MAC Protokolleri Rasgele Erişim Garantili Erişim Melez Erişim Şekil 2. Kablosuz MAC protokollerinin sınıflandırılması. 3. BR nun Fiziksel Katman ve MAC Katmanının Özellikleri BR kavramının temelindeki ana fikir, lisanssız kullanıcıların spektrum bandına erişimine, bandı kullanan lisanslı kullanıcılarda herhangi bir girişim oluşturmaksızın izin vermektir. Bunu sağlamak için lisanssız kullanıcının, lisanslı kullanıcı tarafından kullanılan her kanalın kullanım desenini gözlemlemesi ve spektrum boşluklarını belirlemesi gerekmektedir. Lisanssız kullanıcı lisanslı kullanıcıya girişim oluşturmayacak uygun bir kanal bulduğunda, bu kanal lisanssız kullanıcıya tahsis edilir ve diğer lisanssız kullanıcılarla da paylaşılır. Lisanssız kullanıcı lisanslı kullanıcının kanala geri dönüşünü de gözlemekle sorumludur. Lisanslı kullanıcı bandı tekrar kullanmaya başladığında lisanssız kullanıcılar kanalı derhal boşaltmalıdır. Spektrum boşluklarının bulunması ve lisanslı kullanıcının kanalı kullandığının veya kanala geri döndüğünün belirlenmesinin kritik öneminden dolayı kanalın durumunun/uygunluğunun sezilmesi BR nun en önemli sorunlarından birini oluşturur. BR sistemi, kendi spektral bandgenişliğini herhangi bir zamanda artırabilen veya azaltabilen ve buna göre iletişim dalga şeklini değiştirebilen sistemdir. Ayrıca, Kablosuz teknolojilerin çoktürel bir yapıda olması, bu sistemlerle birlikte çalışabilirlik ve bağlanabilirlik gibi sorunların çözümünü gerekli kılmaktadır. (BR) anılan sorunları çözecek aday bir teknoloji olarak önerilmektedir. BR ağlarda önerilen üç farklı erişim yöntemi mevcuttur, 1. Bilişsel Ağ Erişimi: ikincil kullanıcılar kendi baz istasyonlarına lisanslı ve lisanssız bandlardan erişebilirler. 2. Tasarsız Erişim: ikincil kullanıcılar, tasarsız bir ağda lisanslı ve lisanssız spektrum bandlarını kullanarak iletişim kurabilir ve birbirlerine erişebilir. 3. Birincil Ağ Erişimi: Lisanssız kullanıcılar lisanslı bandları kullanarak birincil baz istasyonlarına da erişebilir. İster bilişsel ağ erişimi, ister tasarsız erişim isterse birincil ağ erişimi her olsun tüm erişim modelleri merkezi yapıdadır. Yani ağ, Baz istasyonu ile gezgin uc veya bir öbek başı etrafında organize olabilen gezgin uçlardan oluşur. Baz istasyonu beraber çalıştığı gezgin uçlara komutlar göndererek band-içi ve band-dışı peryodik ölçümler yapar. Band-içi ölçümler baz istasyonunun gezgin uçlarla olan iletişimlerinde kullanırken band-dışı ölçümler diğer kanallarla haberleşmede kullanılır. BR kavramı Fiziksel Katman (PHY) ve MAC protokollerini, spektrumu esnek olarak kullanabilen özelliklerle değiştirip, zenginleştirmeyi gerektirmektedir. Baz istasyonu ve tüm gezgin uçlarla yapılan ölçüm sonuçları baz istasyonunda toplanır ve değerlendirilir. Fiziksel Katman, kanalda lisanslı kullanıcı varlığını sezme ve kanalın uygun olup olmadığını belirlemeden sorumludur. fiziksel katman sezme şekli, kullanılan alıcı sayısı ve çeşitleme (diversity) tekniğine bağlı olarak, sezilen kanalın lisanslı kullanıcı tarafından kullanılıp kullanılmadığı hakkında karar vermek için gereken olasılığı değerlendirir. Eğer kanal lisanssız kullanıcı tarafından kullanılıyorsa, mevcut kanaldaki girişim miktarını belirlemede sorumlulukları arasındadır. Son olarak, Bit Hata Oranı (BER) gereksinimini karşılamak ve lisanslı kullanıcıda katlanılabilir girişim veya girişime neden olmayan verici dalga şeklini biçimlendirmeye ihtiyaç duyulur. BR temelli MAC katmanının tamamen yeni işlevleri de yerine getirmesi gerekmektedir. MAC katmanı, kanalın
dolu olup, olmadığı hakkında bilgi alır ve bu bilgiyi yeni bir kanala ne zaman geçeceğini ve bilgiyi şebekedeki diğer düğümlere nasıl yayacağını belirlemek için kullanır. Aynı zamanda, MAC katmanının görevi, kanalın kullanılan ve kullanılmayan kısımları hakkındaki bilgiyi hizmet kalitesini garantileyen bir orana dönüştürmek, bu bilgiyi kabul kontrol aşamasında ve farklı uygulamaları planlamada da kullanılabilecek hale getirmektir. Tüm katmanların amacı, fiziksel katmandan gelen bilgileri açığa çıkararak, bu bilgileri, uygulamanın QoS beklentilerini en yüksek düzeye çıkaracak bilgi ile değiştirmektir. Bu beklentileri karşılayabilmek için MAC katmanına önemli görevler yüklenmektedir. MAC katmanı, lisanslı kullanıcıların zamanında ve güvenli bir şekilde tespit edilmesi için gereken radyo kontrol işlevlerinden dinamik spektrum erişimi, ağlar arası kaynak paylaşımı ve frekans hareketliliği işlevlerinin yerine getirilmesi ve bu işlevler arasında koordinasyon sağlanmasından sorumludur. BR ağlarında boş kanallar konuma ve zamana bağlı olarak farklılıklar gösterir. Bu durum uygun kanal sayısının ve kimliğinin gezgin uçtan uca farklılık göstermesine neden olur. Aynı zamanda, mevcut çok kanallı çok sekmeli kablosuz ağlara göre farklılık gösterir. BR temelli MAC katmanının çalışma ortamındaki ani değişimlere çabuk cevap verebilmesi yüksek bir hız gerektirir. Geleneksel MAC hizmetleri verilmesinin ötesinde, Çapraz katman etkileşimi kullanıldığında, ağ verimliliğini ve QoS desteğini artırır. Fiziksel ortam şartlarının zaman içinde büyük değişimler gösterdiği kablosuz teknolojilerin kullanıldığı herhangi bir ağda çapraz katman tasarımı oldukça önemlidir. Çapraz katman tasarımı farklı katmanlar arasında bilgi alış verişi ağın iş çıkarma yeteneğini en üst düzeye çıkarabilir. [6-10] 4. BR- MAC Katmanında Cevaplanması Gereken Bazı Sorular BR MAC katmanında cevaplanması gereken diğer sorulardan bazıları aşağıdaki şekilde sınıflandırılabilir: 1. Mevcut kablosuz teknolojilerin aksine, gezgin ucun baz istasyonu ile bağlantı kurabileceği frekans, zaman, kod veya bunların birleşimini içeren herhangi önceden kararlaştırılmış bir kanal bulamaz. Bu nedenle, MAC, mevcut kablosuz MAC lerde çok basit bir işlem olan ağa katılmayı/bağlanmayı da içerecek şekilde tasarlanmalıdır, 2. Bir verici ile bir alıcı arasında haberleşme bağlantısı kurulmak istendiğinde verici, alıcının kanalda hazır beklediğini tespit edebilmelidir. 3. Vericinin belirlenen kanaldan yayın yaptığının tespiti, alıcı ve vericinin komşu kanallarında girişim olup olmadığı tespit edilebilmelidir. 4. gezgin uçlar, ağda oluşan kanal değişimlerini belirleyebilmelidir. 5. BR ağlarının dinamik ve çoktürel spektrum ortamının QoS-farkında iletişimi desteklemesi 6. BR ağlarının birincil kullanıcı kullanılan kanala döneceği durumlarda iletişim kesilmemelidir. 5. Sonuç BR teknolojisi, hızlı ve büyük bir gelişme göstermesi yanında mevcut kablosuz iletişim teknolojilerinin birçok özelliğini birleştirerek gelecekte yeni bir devrim yapmaya aday teknolojidir. Bu bildiride, birçok uygulama alanı bulunan BR teknolojisinin paylaşılan ortama düzenli erişim için gereken kuralları belirleyen MAC protokol özellikleri gözden geçirilmiş, son olarak, BR özellikleri ve yeni MAC tasarımında gözetilmesi gereken işlevler tanıtılarak akademik çevrelerin ilgilerini çekmek amaçlanmıştır. Kaynaklar [1] I. F. Akyildiz, W. Lee, M. C. Vuran, S. Mohanty, NeXt Generation / Dynamic spectrum Access/Cognitive Radio wireless network: A survey, Computer Networks 50, 2127-2159, 2006. [2] S. Haykin, Cognitive radio: Brain-Empowered Wireless Communications, IEEE J.Sel. Areas Commun., vol. 23, no. 2, pp. 201 220, 2005. [3] Zhao, Q and Sadler, B. M, A Survey of Dynamic Spectrum Access Signal Processing, networking, and regulatory policy, IEEE signal Processing Magazine, 79 89,2007. [4] Nardis, L. De. and Benedetto, M.G. Di, Medium Access Control design for UWB Communication System: review and trends, J. Communications and Networks vol.5, no:3, 240 247,2003. [5] Gummalla, A.J.V and Limb, J.O, Wireless Medium Access Control Protocols, IEEE Communications surveys, http://www.comsoc.org/pubs/surveys, 2-15,2000. [6] Kumar,S.,Raghavan, V.S,and Deng J., Wireless Medium Access Control Protocols for ad hoc wireless networks: A survey, Ad Hoc Networks 4,326-358,2006. [7] D. Cabric, S.M. Mishra, R.W. Brodersen, Implementation issues in spectrum sensing for cognitive radios, Proc. 38th Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers vol.1, 772 776,2004. [8] I. F. Akyildiz, W. Lee, M. C. Vuran, S. Mohanty, A survey on Spectrum Management in Cognitive Radio Networks, IEEE Communication Magazine, 40 48,2008. [9] Shankar, S.N., Squeezing the Most Out of Cognitive Radio: A Joint MAC/PHY Perspective Acoustics, ICASSP 2007, IEEE International Conference on Speech and Signal Processing, 1361-1364, 15-20 April 2007. [10] Cordeiro, C., Challapali, K., Birru, D., Sai Shankar, N., IEEE 802.22: the First Worldwide Wireless Standard Based on Cognitive Radios, DySPAN 2005, First IEEE International Symposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks, 328-337, 2005. Tüm bu etkenler BR için yeni bir MAC protokolü geliştirilmesini zorunlu kılmaktadır.[6-10]