PSD Tekniği Kullanımının OFDMA Tabanlı Bilişsel Telsiz Ağlarda Boşluk Algılamadaki Uygunluğu Aslı Birol1, Sultan Aldırmaz1, İbrahim Demirdöğen2, Hüseyin Arslan2, Lütfiye Durak1 1Yıldız Teknik Üniversitesi 2University of South Florida

İçerik Bilişsel Telsiz Ağlar OFDM(A) Sistem Modeli Benzetim Sonuçları Cognitive Radio (CR) OFDM(A) Sistem Modeli Benzetim Sonuçları Sonuçlar

Bilişsel Telsiz Ağlar Joseph Mitola,1999 Alma ya da gönderme parametrelerini ortam faktörlerine bağlı düzenleyerek iletişimi daha uygun hale getirebilen kablosuz sistem spektrumun verimli kullanılması lisanslı (birincil) kullanıcıya ait olan bantlardan lisanssız (ikincil) kullanıcıların da yararlanmasını sağlamak Yüksek kalitede çoklu ortam servislerine olan ilginin artması ile spektrumun verimli kullanılması kablosuz haberleşme için oldukça önemli hale gelmiştir. FCC tarafından yapılan ölçümlere göre, uzun zaman aralıkları boyunca spektrumun lisanslı bandının büyük bir bölümü kullanılmamaktadır [1]. Bilişsel telsiz ağları (Cognitive Radio, CR) spektrumda birincil (lisanslı) kullanıcıya ait olan bantlardan ikincil (lisanssız) kullanıcıların da yararlanmasını sağlayarak spektrum kullanımını verimli hale getirmeyi amaçlayan bir teknolojidir

Bilişsel Telsiz Ağlar Spektrum Algılama Spektrum Yönetme fırsatçı erişim lisanssız kullanıcı boş bandı lisanslı kullanıcı tekrar sisteme girene kadar kullanabilir. lisanslı kullanıcılara girişim oluşturulmamalı Spektrum Yönetme en iyi spektrumu belirleme ,QoS Spektrum Taşınabilirlik Kullanıcı tarafından fark edilmemeli, iletişim protokolleri uyumlu olmalı Spektrum Paylaşım Kullanılabilir spektrumun kullanıcılara paylaştırılması 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. Spektrum Algılama fırsatçı erişim Lisanslı kullanıcının bandı kullanmadığı tespit edildiğinde lisanssız kullanıcı bu bandı lisanslı kullanıcı tekrar sisteme girene kadar kullanabilir. lisanslı kullanıcılara girişim oluşturulmamalı Ancak ikincil kullanıcının birincil kullanıcıya hiçbir bozucu etki oluşturmaması ve birinci kullanıcı banda gireceği zaman banttan çıkabilmesi gereklidir. Spektrum Yönetme en iyi spektrumu belirleme ,QoS Spektrum Taşınabilirlik Kullanıcı tarafından fark edilmemeli, iletişim protokolleri uyumlu olmalı Spektrum Paylaşım Kullanılabilir spektrumun kullanıcılara paylaştırılması

OFDM / OFDMA OFDM frekans seçici kanallara karşı dayanıklı, bilginin frekans bölgesinde dar-bantlı alt taşıyıcılar ile iletildiği çok taşıyıcılı bir modülasyon tekniğidir. OFDMA Çok kullanıcılı OFDM 802.11 a/g, 802.16 a-d, LTE downlink frekans seçici sönümlemeye ve dar-bant girişime (interferans) karşı dayanıklıdır. Alt taşıyıcılar arasındaki dikliği tehdit eden frekans ofsetine karşı hassastır. İlk CR standardı olan IEEE 802.22 Kablosuz Bölgesel Alan Ağı, OFDMA teknolojisini kullanmaktadır.

OFDMA alt taşıyıcıların kullanımı Blok-tabanlı kullanım Dağınık kullanım OFDMA tabanlı bir sistemde alt taşıyıcıların kullanımı blok-tabanlı ve dağınık olmak üzere iki şekilde gerçeklenebilir. Blok tabanlı kullanım ikincil kullanıcının boşlukları algılayabilmesi açısından avantajlıdır ancak kanal özelliklerinden daha çok etkilenmektedir. Buna karşılık taşıyıcıların dağınık kullanımı kanal etkilerine karşı sistemi daha dayanıklı hale getirmekle beraber iletim bandının büyük bir bölümünün kullanılmasına sebep olmaktadır. Bu çalışmada, günümüz ve gelecek kablosuz haberleşme sistemlerinde OFDMA tabanlı birincil ve ikincil kullanıcının alt taşıyıcılarını farklı yapılarda kullanımı CR sistemi açısından incelenmiştir. Lisanslı kullanıcıya ait bir OFDMA çerçevesindeki alt taşıyıcıların blok tabanlı ya da dağınık olarak kullanımının ikincil kullanıcıyı nasıl etkileyeceği problemi incelenmiştir. Farklı senaryolar için PSD temelli klasik teknik kullanılarak spektrumdaki boşluklar algılanmıştır. Literatürde bulunan çalışmalarda, spektrumdaki boşlukların algılanması problemi eşzamanlama [8] ve spektral şekillendirme [9–12] gibi farklı konularda incelenmiştir. Bu çalışmada ise spektrumdaki boşlukların bulunması problemi, birincil kullanıcının alt taşıyıcı kullanım biçimine göre ikincil kullanıcı açısından incelenmiştir. OFDMA sisteminde dalga biçimi dikdörtgen olduğundan, spektrum sinc fonksiyonlarından oluşmaktadır. Sinc fonksiyonlarının yan bantlarının yavaş sönümlenmesi ve yan alt kanallara enerjinin yayılımı bitişik kanal girişimine (adjacent channel interference, ACI) neden olmaktadır. CR açısından bakıldığında yan bandlar boş olan bandın dolu olarak algılanmasına neden olabilir. Yan bandlar nedeni ile ikincil sistem spektrumdaki boşlukları algılayamayabilmektedir, bu nedenle yan bandları bastırarak bu durumun önüne geçilmelidir. Pencereleme [9], alt taşıyıcı yok etme [11–12] veya adaptif sembol geçiş yöntemi [12] literatürde yer alan tekniklerden bazılarıdır. Ancak bu teknikler işaretin boyunu uzattığından spektral verimliliği azaltmaktadır. Spektrumun verimli kullanımı bu çalışmada esas olduğu için, spektral şekilendirme için yükseltilmiş cosinus penceresi (raised cosine, RC) kullanılmıştır. Ayrıca RC pencerenin kullanımının spektrumdaki boşlukları algılamadaki önemi farklı senaryolar üzerinde incelenmiştir. İşaretin güç spektral yoğunluğuna göre verilen kararda doğru ve hatalı algılama oranı seçilen eşik ile doğrudan etkilidir. Yapılan benzetimlerde eşik seçiminin etkisi de ayrıca incelenmektedir. Alt taşıyıclar Alt Taşıyıcılar

Sistem Modeli Lisanslı kullanıcıya ait bir OFDMA çerçevesindeki alt taşıyıcıların blok tabanlı ya da dağınık olarak kullanımı ikincil kullanıcıyı nasıl etkiler? Farklı senaryolar için PSD temelli klasik teknik kullanılarak spektrumdaki boşluklar algılanmıştır. RC pencerenin kullanımının spektrumdaki boşlukları algılamadaki önemi farklı senaryolar üzerinde incelenmiştir. İşaretin güç spektral yoğunluğuna göre verilen kararda doğru ve hatalı algılama oranı seçilen eşik ile doğrudan etkilidir. Yapılan benzetimlerde eşik seçiminin etkisi de ayrıca incelenmektedir.

Spektrum Gözleme Tekniği ikincil kullanıcı spektrumdaki boşlukları bulmak amacıyla PSD tekniğini kullanmaktadır. Enerji algılama her bir alt taşıyıcının enerjisi eşik değer ile karşılaştırılır. İşaret PSD Eşik Değeri Taşıyıcı fırsat olarak kullanılabilir mi? Enerji algılama tekniği uygulanarak, eşik değerine bağlı olarak spektrumdaki boşluklar belirlenir. Enerji algılama tekniğinde her bir alt taşıyıcının enerjisi eşik değer ile karşılaştırılır. Eğer alt taşıyıcının enerjisi eşik değerinden küçük ise bu durum alt taşıyıcının kullanılmadığı anlamına gelmekte ve ikincil kullanıcı için bu alt taşıyıcı bir fırsat olarak algılanmaktadır. Alt taşıyıcının enerjisi eşik değerinden büyük olduğunda ise alt taşıyıcının lisanslı kullanıcı tarafından kullanıldığı varsayılır.

Benzetim Parametreleri Alt taşıyıcı kullanım modeli Toplam N tane alt taşıyıcı Alt taşıyıcıların kullanım oranı %50 Parametreler

L=4 ve L=32 için PSD SNR=20 dB Farklı alt taşıyıcı kullanımı için güç spektral yoğunluğu. Birinci ve ikinci durumlar için, SNR değerinin 20 dB olduğu bir ortamda iletilen OFDMA işaretinin PSD eğrileri L=4 ve L=32 değerleri için sırasıyla Şekil 3 (a) ve (b) de verilmiştir. Alt taşıyıcıların dağınık kullanıldığı durumda spektrumda oluşan yan bantlar, spektrumdaki boşlukların dolu olarak algılanmasına neden olabilmektedir. Sönümlemeli kanal ve gürültü etkisi, RC pencerenin yan bantları bastırmadaki başarısını olumsuz etkilemektedir. Bununla beraber kullanılan ardışık alt taşıyıcıların sayısı (L) arttıkça diğer bir deyişle alt taşıyıcılar blok-temelli kullanıldığında pencereleme etkisi belirli hale gelmektedir.

Doğru ve Hatalı Algılama Hatalı algılama (false alarm, FA) spektrumda boşluk olmadığı halde ikincil kullanıcının boşluk algılaması Doğru algılama (true detection, TD) algılanan boşlukların gerçekten var olduğu zaman yapılan algılama TD ve FA oranı enerji detektörünün eşik seçimine bağlıdır. FA oranını minimize edecek şekilde eşik değeri seçilmelidir. Yapılan benzetimlerde üç farklı eşik değeri için kullanılmıştır. Ortalama güç M olmak üzere, eşik değerleri sırasıyla Th1=M-10 dB Th2=M-5 dB Th3=M dB Şekil.1’de verilen iki durumu adil olarak karşılaştırabilmek için spektrumda bulunan boşlukları doğru algılama (true detection, TD) ve hatalı algılama (false alarm, FA) oranlarına bakılmıştır. Hatalı algılama, spektrumda boşluk olmadığı halde ikincil kullanıcının boşluk algılamasıdır. Doğru algılama ise, algılanan boşlukların gerçekten var olduğu zaman yapılan algılamadır. Hem TD hem de FA oranı enerji detektörünün eşik seçimine bağlıdır. Bu nedenle sistem tasarımında eşik seçimi oldukça önemlidir. CR sisteminde, asıl önemli nokta ikincil sistemin birincil sisteme girişim yapmamasıdır. Bu nedenle, banttaki boşlukları dolu olarak algılamak (miss detection) FA durumundan daha iyidir. FA durumunda ikincil sistem bandı boş olarak algıladığı için kullanır, ancak birincil kullanıcı sistemde olduğu için girişime maruz kalır ve bu CR’da kabul edilemeyecek bir durumdur. Bu nedenle FA oranını minimize edecek şekilde CR sistemi için optimum bir eşik değeri seçilmelidir. Yapılan benzetimlerde FA ve TD oranları üç farklı eşik değeri için elde edilmiştir.

Benzetim Sonuçları

Sonuçlar CR sisteminde spektrumdaki boşlukların doğru olarak algılanması oldukça önemlidir. PSD tekniğinin spektrumdaki boşlukları algılamak için kolay bir yöntem olmakla beraber tüm boşlukların algılanmasında yeterli olmadığı gösterilmiştir. Birincil kullanıcı alt taşıyıcılarını blok yapıda kullandığında ikincil kullanıcının algıladığı boşluk sayısı arttığı buna karşılık alt taşıyıcıların dağınık yapıda kullanımında algılanan boşluk sayısının azaldığı gözlenmiştir. Algılama başarımının arttırılması için sadece işaretin gücüne bakmak yeterli değildir. CR sisteminde OFDMA tabanlı yapılarda, spektrumdaki boşlukların algılanması için yeni teknikler gerekmektedir. CR sisteminde spektrumdaki boşlukların doğru olarak algılanması oldukça önemlidir. Bu çalışmada farklı senaryolar için spektrumdaki boşluklar PSD tekniği kullanılarak algılanmıştır. Pencereleme işlemi sonucunda yan bantlar bastırıldığı için TD oranında artış elde edilmiştir. Birincil kullanıcı alt taşıyıcılarını blok yapıda kullandığında ikincil kullanıcının algıladığı boşluk sayısı arttığı buna karşılık alt taşıyıcıların dağınık yapıda kullanımında algılanan boşluk sayısının azaldığı gözlenmiştir. Bitişik alt taşıyıcı sayısı arttığında ACI’dan etkilenen alt taşıyıcı sayısı azalmaktadır. Bu sayede spektrumdaki boşluklar eşik seviyenin altında kalmakta ve TD oranında artış gözlemlenmektedir. PSD tekniğinin spektrumdaki boşlukları algılamak için kolay bir yöntem olmakla beraber tüm boşlukların algılanmasında yeterli olmadığı bu çalışmada gösterilmiştir. Algılama başarımının artırılması için sadece işaretin gücüne bakmak yeterli değildir. Algılama süreci başka tekniklerle zenginleştirilmelidir. CR sisteminde OFDMA tabanlı yapılarda, spektrumdaki boşlukların algılanması için yeni bir teknik sunulacaktır.

Teşekkürler…