Energy Aware Multipath Routing Protocol for Cognitive Radio Ad Hoc Networks

Cognitive radio networks (CRNs) emerged as a paradigm to solve the problem of limited spectrum availability and the spectrum underutilization in wireless networks by opportunistically exploiting portions of the spectrum temporarily vacated by licensed primary users (PUs). Routing in CRNs is a challenging problem due to the PU activities and mobility. On the other hand, energy aware routing is very important in energy-constraint CRNs. In addition, it is crucial that CR users efficiently exchange data with each other before the appearance of PUs. To design a robust routing scheme for mobile CR ad hoc networks (CRANs), the constraints on residual energy of each CR user, reliability, and the protection of PUs must additionally be taken into account. Moreover, multipath routing has great potential for improving the end-to-end performance of ad hoc networks. Considering all these evidences, in this paper, we propose an energy aware on-demand multipath routing (EOMR) protocol for mobile CRANs to ensure the robustness and to improve the throughput. The proposed routing scheme involves energy efficient multipath route selection and spectrum allocation jointly. The simulation results show that our approach improves the overall performance of the network

Self-organized Network Management Model For Next Generation Wireless Heterogeneous Systems

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2014Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Instıtute of Science and Technology, 2014Son yıllarda artan mobil cihaz kullanımı ve beraberinde getirdiği yüksek ağ trafiği, iş çıkarımı ve gecikme problemlerini gündeme getirmiştir. Kullanıcı paketleri giderek artan bir gecikme ve seğirme ile karşılaşmaya başlamış ve bunun neticesinde iş çıkarımı aşırı düzeyde düşmüştür. LTE sistemlerinin geliştirilmesi ve uygulamaya alınmasıyla birlikte frekansların tekrardan kullanımı ve taşıyıcı birleştirme fikirleri gündeme gelmiştir. Ancak taşıyıcı birleştirme ağ kapasitesinde aktif bir uygulama olmakla birlikte güç tüketimi konusunda kayda değer bir gelişme sunamamıştır. Güç tüketimi bakımından frekansların tekrar kullanılabilirliği ve beraberinde getirdiği küçük ağ yapıları fikri nispeten daha parlak sonuçlar yaratmıştır. Temel olarak, daha sınırlı alanlarda daha düşük güçte baz istasyonları kurularak aynı frekansların kullanılması fikrine dayanan bu yöntem, kullanıcıyla olan mesafenin az olmasından dolayı güç tüketiminde azalma getirmiştir. Ancak küçük ağ sistemlerinin kullanımlarının yaygınlaşmasıyla birlikte, farklı ağların birbirine yaptığı girişim giderek artmıştır. Artan girişim problemi netice itibariyle güç tüketiminde azımsanmayacak bir artışa neden olmuştur. Aynı zamanda, ağ yapısının heterojen özellik kazanmasıyla birlikte kaynak atama da giderek zorlaşan bir alan olmuş ve netice itibariyle hem sermaye harcamalarını hem de işletim masraflarını arttırmıştır. Bu süreçte, kapasite artışını kontrol etmek için uygulanan bir diğer yöntem ise ağ içerisindeki baz istasyonunun yayın gücünü arttırmaktır. Felsefe olarak, baz istasyonunun yayın gücünün artması beraberinde ağın iş çıkarımının artmasını tetiklemektedir. Bu felsefeye dayanarak daha yüksek kapasiteye sahip, çok daha yüksek güç tüketimi olan kablosuz ağ bağlantı noktaları geliştirilmiştir. Ancak güç tüketimindeki aşırı artış, artan girişim problemi nedeniyle iş çıkarımında kısıtlı miktarda bir artış sağlarken, hem işletim maliyetlerinin hem de elektronik yaşlanmanın artmasına neden olmuştur. Bu yaşlanma problemiyle cihazların kullanım ömürleri ciddi miktarda azalırken sermaye masrafları da üssel olarak artmıştır. Uygulanan bu yöntemler ağ performansı ile güç tüketimi arasındaki ödünleşimi keskin bir şekilde ortaya koymuştur. Bu nedenle performans bakımından üstün olan ağ yönetim sistemlerinde, güç tüketimini iyileştirmek için ilave yöntemler araştırılmaya başlanmıştır. Bu araştırmalar göstermiştir ki güç tüketimindeki problemlerin başlıca nedeni yönetim sisteminin gün içinde sıklıkla değişen trafik akışını takip edememesidir. Bu nedenle ağ sistemleri genellikle ağa fazlaca kaynak sunmakta bu da güç tüketiminde ciddi artışa neden olmaktadır. Kendini düzenleyen ağ yönetim mekanizması gün içerisinde aktif olarak değişmekte olan trafik ve ağ koşullarının yönetim mekanizmasınca etkin bir şekilde kontrol edilerek, ağ yapısının en verimli yapıya getirilmesini sağlamaktadır. Bu en iyileme işlemi kendini düzenleyen ağ yönetim sistemlerinde tanımlanmış olan üç adet temel yapıya dayanmaktadır. Bu yapılar kendini ayarlama, kendini en iyileme ve kendini iyileştirmedir. Ağ yapısındaki bu ödünleşimin görünürlüğü, kendini düzenleyen ağ yapısının geliştirilmesiyle birlikte azalmıştır. Ancak bu ödünleşim, yeni bir kullanıcı yapısının geliştirilmesiyle birlikte yeniden görünür hale gelmiştir. Tümdevre tasarımında ve gerçeklenmesinde ortaya çıkan ilerlemeler çok daha gelişmiş ve verimli sistemlerin hem daha ucuza hem de daha küçük boyutlarda yapılmasını sağlamıştır. Bu durum ise günlük hayatta sıkça kullanılmakta olan kullanıcı cihazlarına RF alıcı ve vericilerinin eklenmesine olanak sağlamıştır. Bu cihazlar gün içerisinde oldukça fazla miktarda veri oluşturmakta ve bu verileri kendi iş tanımlarına göre belli birimlere iletmektedirler. Bu cihazların RF yapıları taşımasıyla birlikte, bu veri akışını sağlamak için birbirlerine bağlanması fikri ortaya çıkmıştır. Bu şekilde, cihazların ağı (CA) fikri ilk defa ortaya atılmıştır. Bu yeni ağ yapısının geliştirilmesiyle birlikte ortaya daha önceden var olmayan yeni bir kullanıcı tipi çıkmıştır. Klasik mobil kullanıcıdan farklı olarak, gecikme ya da seğirme konusunda herhangi bir performans beklentisi olmayan bu cihazlar açısından, en önemli kriter güç tüketimidir. Bu bakımdan geliştirilmiş olan bu yeni kullanıcı türü mobil kullanıcılarla duyarga cihazlarının arasında bir yapıya sahiptir. Ancak var olan kendini düzenleyen ağ yönetim modelleri önceliği ağın servis kalitesini en iyilemeye ayırdıklarından, yeni gelişmiş olan cihazlar açısından yetersiz kalmışlardır. Şu anda günlük cihaz yönetiminde genellikle doğaçlama yöntemler ve duyarga ağlarında kullanılmakta olan algoritmalar kullanılmaktadır. Ancak günlük cihaz ağıyla mobil kullanıcı ağlarının arasındaki etkileşimlerin artması beraberinde her iki kullanıcıyı birlikte kontrol edebilen sistemlerin geliştirilmesi ihtiyacını doğurmuştur. Bu tez kapsamında her iki kullanıcı modelini de etkin bir şekilde yönetebilecek kendini düzenleyebilen ağ yapısı önerilemektedir. Bu amaçla iki farklı kullanıcı için ayrı ayrı performans beklentilerini karşılayabilen birer ağ kontrol sistemi geliştirilmiş olup, arkasından bu iki model birleştirerek, her iki kullanıcı modeline de yüksek performansla hizmet sunabilen bir yapı geliştirilmiştir.  Bu amaçla öncelikle doğadan esinlenilerek, kendini düzenleyen ağ yapısı geliştirilmiştir. Bu yapıda basitlik ve etkin olma özelliklerinin yanı sıra güçlü bir bellek yönetimi özelliğine sahip olmasından dolayı bağışıklık sistemi model alınmıştır. Tasarım süresinde bağışıklık sistemindeki B-hücresi, T-hücresi, Timüs organı ve antijen yapılarından esinlenilerek önerdiğimiz kendini düzenleyen yapının kendini ayarlama, kendini en iyileme, kendini iyileştirme ve problem tespiti kısımları tasarlanmıştır. Önermekte olduğumuz yapı, pek çok küçük ağ taşıyan bir ağı yönetmekte olan ana baz istasyonları için tasarlanmıştır. Küçük ağ baz istasyonları, haberleşme için kullanmakta oldukları gücü ve kullanıcı sayısını ana baz istasyonuna yollamaktadırlar. Verilen bu değerlere göre ana baz istasyonu, küçük ağ baz istasyonunun enerji verimini incelemekte ve verimsiz olduğuna karar vermesi durumunda daha önceden tanımlanmış olan üç farklı yöntemden birini olasılıksal olarak seçmektedir. Uygulanan yöntemin uygunluğu, T-hücresinden esinlenilmiş olan kendini en iyileme birimi tarafından incelenmekte ve bunun geçerli bir yöntem olup olmadığına karar verilmektedir. Verimin uygun olduğuna karar verilmesi halinde, karşılaşılan ağ sorunuyla uygulanan yöntem birbiriyle eşleştirilerek saklanmaktadır. Eğer uygun olmadığına karar verilirse, bu eşleştirme kaldırılmakta ve böylece etkin olmayan yöntem elenmektedir. Bu yöntem neticesinde en uygun çözümleri taşıyan yapıların oluşması sağlanacaktır ki; bu da bir sonraki hedefimiz olan hizmet alanındaki iyileşmeyi önümüze getirmektedir. Timüs organından esinlenilmiş olan kendini iyileştirme yapısı ağ yönetiminin politikasına karar vermekte ve bu politikaya göre sorunlu durumları belirlemektedir. Tez kapsamında aynı zamanda Markov yapısı sunulmuş olup kararlı bir yapıda baz istasyonlarının hangi metotları aktif bir şekilde kullanacakları incelenmiştir. Benzetim sonuçları ortaya koymaktadır ki; önerilmiş olan yapı enerji tüketimini düzenleyip ağdaki yük dağılımını iyileştirirken, ağa kabul oranında %26 bir iyileşme sunmaktadır. İkinci olarak, günlük ağ cihazları için kendini düzenleyebilen bir sistem önerilmiştir. Bu yapıda ağın güç tüketiminin daha verimli bir hale getirilmesi hedeflenmiş olup bu amaçla kullanılmayan cihazların uykuya yatırılması esasına dayanan bir en iyileme tekniği geliştirilmiştir. Bu yapı içerisinde öncelikle gözlenilmesi beklenen olay yoğunluğu kullanılarak, aktif olması gereken cihaz sayısına karar verilmiştir. Hesaplanan bu cihaz sayısı hedeflenen olay yoğunluğunu gözlemlemek için kullanılması gereken cihaz yoğunluğudur. Bu yoğunluğun hesaplanması sırasında aktif kapsama alanı denilen bir katsayı tasarlanmış ve böylece aynı alanı kapsayan cihazların bu hesaplamada hata oluşturması engellenmiştir. Cihazların açık ve kapalı olacakları aralıkların belirlenmesi sırasında, çakışma katsayısı ve uzaysal bağıntıların yerel bilgisi kullanılmıştır. Çakışma katsayısı cihazın başka cihazlar tarafından kapsanmayan bölgeleri ne kadar kapsadığına göre hesaplanmakta ve bu şekilde bir liste yapılmaktadır. Öncelikle, en yüksek çakışma katsayısına sahip cihazlar aktif hale getirilirler. Yeterli cihaz sayısına ulaşılamaması durumundaysa uzaysal bağıntıların yerel bilgisi kullanılır. Uzaysal bağıntıların yerel bilgisi ile cihazların geriye kalan cihazlara olan uzaklıkları temel alınarak bir sıralama yapılır ve diger aktif cihazlara en uzak olan cihazlar aktif hale getirilerek, gerekli olan diğer cihazlar çalıştırılırlar. Yapılmış olan benzetimler süresince toplamda yetmiş adet cihaz için ağ yapısı incelenmiş olup, neticede hem cihazların ömürleri hem de sürdürülebilirlikleri gözlemlenmiştir. Cihazların ömürleri güçlerinin bittiği zaman olarak belirlenmiş olmakla birlikte, sürdürülebilirlik sınırı, cihazların toplam kapsama alanının %30 oranında düştüğü nokta olarak belirlenmiştir. Netice itibariyle sürdürülebilirlik anlamında %150 gibi bir artış gözlenirken, cihaz ömrü anlamında %220 lik bir artış sağlanmıştır. Daha önceden de anlatıldığı gibi, bu tezin kapsamındaki en temel amaç farklı kullanıcı tiplerinin haberleşmelerini yani hem günlük cihaz haberleşmesini hem de klasik mobil kullanıcı haberleşmesini kontrol edebilen bir ağ yönetim yapısının gerçeklenmesidir. Bu amaçla, daha önceden tanımlamış olduğumuz bağışıklık sisteminden esinlenilmiş kendini düzenleyebilen ağ yapısı ile kendini düzenleyebilen cihazlar yapısını birleştirmiş bulunmaktayız. Bu çalışmada daha önceki çalışmalara ek olarak üç farklı ağ politikası tanımlanmıştır. Bunlar en yüksek performans politikası, en enerji verimli çalışma politikası ve dengeli çalışma politikası olarak gruplandırılabilirler. Bu politikalar yardımıyla gün içerisinde özellikle mobil kullanıcıların beklentisinde ortaya çıkan değişiklikleri takip edebilen bir ağ yapısı tasarlanmıştır. Bunun yanı sıra olay yoğunluğu hesaplanırken, ağırlıklı olasılık fonksiyonu kullanılarak daha fazla olay görülen bölgelerde daha fazla cihazın çalıştırılması sağlanmıştır. Bu ağırlıklı çalışma yönteminin işler hale gelebilmesi için, ağ yapısı temel olarak üç ana kısma bölünmüş ve cihaz yaşam süresindeki incelemeler bu üç ana bölgede farklı olay sıklıklarıyla gerçeklenmiştir. Gerçekleme sonuçları göstermektedir ki, önermekte olduğumuz yöntem karışık kullanıcı çeşitlerini başarılı bir şekilde kontrol edebilmektedir. Tasarımımızın direkt olarak baz istasyonlarını hedef alması, hem kurulum hem de işletim alanlarında ekonomik kazançlar sağlaması ve performanslarda ilerleme oluşturması nedenleriyle özellikle telekomünikasyon şirketleri tarafından kullanılacağı düşünülmektedir. Öte yandan daha gelişmiş haberleşme sistemleri ile hem kullanıcılara sunulan hizmet kalitesi arttırılacak hem de enerji tüketimini ve böylece CO2 salınımını azaltarak çevreye verilen zarar önlenecektir.Increase in mobile devices and RF applications, triggered a bottleneck in the throughput and coverage. Even though the carrier aggregation solved the capacity problems, the quality of service (QoS) decreased tremendously in terms of peak data rates and latency. Providing an effective solution, LTE-A, which integrates the full-frequency reusing scenarios, is proposed. By this way, the idea of micro and femto cells is developed. These small cells are relatively low powered, capable of handling lower number of users and have smaller coverage areas. However, the heterogeneity of networks increased the interference problems interference and eventually resulted in resource allocation problems. Another applied solution to this capacity need is to increase the transmission power of the main base stations. As a general knowledge, it is known that increasing transmission power always increases the throughput. Based on this fact, higher capacity wireless links that consumes higher energy are designed. Both the small cell solution and the higher powered wireless link solution increase the energy consumption of the network. This high power dissipation pointed the tradeoff between energy efficiency and spectral efficiency. The higher power dissipation causes higher operational costs and electronic aging problem, which eventually increases the CAPEX. Due to this, energy optimization algorithms, which can decrease energy consumption while maintaining performance of the network, are investigated. The researches showed that the most of the energy consumption is due to the dynamic nature of the daily traffic. Over providing the network, which eventually causes resource mismanagement, solves the wireless links lack of ability of adaptation to the network's dynamic nature. Self-organizing networks are capable of following the dynamic nature of the network. Using its three predefined bloc, i.e. self-configuration, self-optimization and self-healing, it can adapt itself to the traffic changes and also needs more human intervention.  Even though, the development of self-organizing network structure decrease the visibility of the trade off between spectral energy and energy efficiency, the deployment of a new user type bring out the previous problems. The developments in very and ultra large-scale integration and the decrease in the integrated circuit prices caused the spread of consumer electronics that contains RF modules, namely “things”. These thing devices (TD) produce large amount of data that are gathered from their environment based on their work definitions. The idea of connecting these TDs created the concept of Internet of Things (IoT). However, these new type of users are different from the existing mobile users. They have different QoS requirements and performance metrics. For most of the devices, the latency and jitter are not a realistic problem and they have no throughput concerns. However, they try to optimize their energy consumption over a large period. Due to this reason, they can be classified as a hybrid structure that exists between mobile devices and sensor nodes. The existing self-organizing network deployments are incapable of handling these devices as the existing network management topologies give particular importance to the optimization of the network QoS, which is not valid for TDs. For most of the network management deployments, the applied most optimal network deployment is the worst network topology for IoT networks. The Ad-Hoc algorithms and scheduling algorithms are maintaining the topology management frameworks so far. However, the increasing interactions between these two different user types, i.e. TDs and mobile users, brought the necessity of a complete architecture that can handle both of the users. In this study, a self-organized network management framework that can handle the hybrid user types is proposed. During the development phase of this management framework, we have designed two different network management frameworks for two different homogenous networks.  First, we have developed an immune inspired green self-organizing network (I2-gSON) controller that handles the throughput-concerned mobile users. During this study, we inspired from the immune system concepts and redefined the self-organizing network blocks using immune system features. More specifically, we inspired form B-cell, T-cell, Thymus and antigen concepts and mapped them to the self-configuration, self-optimization, self-healing and low energy efficiency concepts, respectively. The considered network topology consists of small cells and the users. The proposed framework is designed for the main base station structures of the network. The proposed framework uses three actions in the self-configuration block and tries to decrease the power consumption while maintaining the acceptance ratio of the base stations. By the end of the simulations, we observed that the proposed framework stabilizes the energy consumption of the network while increasing the acceptance ratio by 26%. Our second design proposes a self-organizing framework for IoT devices. In this study, we divided the TD types into two, i.e. trigger based devices (TBD) and periodic signaling devices (PSD). The proposed framework looks into the problems of coverage, energy efficiency for IoT. The self-organizing framework of this study decreases the human intervention. We explore first a tradeoff between the coverage and energy demands through simulation studies. Then, we defined two decision metrics, called as conflict and spatial parameters that are used to tune the extent of coverage and region of overlap. Both of these parameters are utilized for network management in self-optimization process. In addition, we develop a sleep mode optimization technique in order to minimize the energy consumption and stabilize the battery lifetime, which is a novel approach that considers the spatial distributions. These results showed that this technique provides 150% increase in durability with 220% increase in the overall lifetime. Finally, using these two different frameworks we proposed a novel hybrid topology management framework that can handle both IoT devices and mobile users. Developing this study, we used the strongholds of each framework and integrated them. We defined three-operation policy that effects the network deployment, i.e. high performance (HP), most energy efficient (MEE) and balanced system (BaS). The mobile user network topology is decided according to the active policy that is determined by the time of the day. IoT deployment is determined using the previously explained self-organizing framework. We used a weighted approach to determine the event probability and to maintain a higher event observation rate. In order to integrate this weighted approach, the network is divided into three subgroups. The simulation results proved that the proposed network could handle both IoT devices and mobile users and maintain high performance with a high-energy efficiency.Yüksek LisansM.Sc

Modeling and Analysis of Cognitive Radio Ad Hoc Networks

Eine Welt ohne drahtlose Ad-Hoc Netzwerke ist heute kaum noch vorstellbar.Auf Grund der geringen Kosten und des minimalen Installationsaufwands werden gegenwärtig immer mehr Geräte in immer mehr Anwendungsfeldern eingesetzt. Da die meisten dieser Netzwerke im lizenzfreien ISM-Band operieren, ist dieses heute stark ausgelastet und weist kaum noch freie Kapazitäten auf. Aktuelle Studien der Federal Communication Commission (FCC) belegen allerdings, dass große Teile (bis zu 70%) der lizenzbehafteten Frequenzen ungenutzt sind. Dieser Umstand zeigt, dass das Problem weniger die generelle Knappheit an freien Frequenzen ist, sondern vielmehr in der ineffizienten Verteilung bzw.Nutzung der verfügbaren Resourcen zu suchen ist. Das Hauptaugenmerk der vorliegenden Dissertation liegt in der Verbesserung der Spektrumsauslastung, um dadurch die weitere Entwicklung von drahtlosen Ad-Hoc Netzwerken zu ermöglichen.In dieser Arbeit wird ein neues Spektrum-Management-Konzept mit dem Namen Opportunistic Spectrum Access with Backup channel (OSAB) entwickelt und vorgestellt. Das hierbei zugrunde liegende Konzept gestattet Secondary Users (SUs)dynamisch und flexibel auf Frequenzen unlizenzierter als auch lizensierterFrequenzbänder zu zugreifen, wenn diese vom Primary User (PU) gerade nicht genutzt werden - es also keine Interferenzen geben kann.Da der Zugriff auf das Frequenzspektrum heute existierender Systeme noch sehr unflexibel ist, soll dieser in Zukunft durch Cognitive Radios (CR)weit flexibler und dynamischer gestaltet werden können. Bei der Entstehung von OSAB wurden speziell die unterschiedlichen Eigenschaften verschiedener Frequenzbänder berücksichtigt.Der Hauptvorteil von lizenzbehafteten Bändern ist, dass diese in hoher Anzahl verfügbar sind. Der Hauptvorteil von lizenzfreien Frequenzen ergibt sich hingegen aus der Gleichstellung aller Nutzer. Sobald ein SU einmal einen Kanal belegt hat, kann er nicht mehr aus selbigem verdrängt werden.Kommuniziert OSAB in lizenzierten Bändern, so wird stets ein Backup Channel (BC)vorgehalten um auf das plötzliche Auftreten des PUs reagieren zu können.Das vorgeschlagene Konzept wurde in dieser Arbeit außerdem einer intensiven Analyse mittel Markov-Ketten unterzogen. Die dabei erzielten Ergebnisse zeigen,dass OSAB den Paketverlust und die erwartete Anzahl an Spektrum-Hand-Offs um 60% bzw. 17% reduzieren kann.Um den Nutzen und die Vorteile von OSAB praktisch unter Beweis zu stellen, wurde in der vorliegenden Arbeit weiterhin das MAC-Protokoll SWITCH (opportunisticSpectrum access WITh backup CHannel) entwickelt.SWITCH ist ein dezentrales, asynchrones, verbindungsbasiertes MAC-Protokoll, welchesdurch das Backup-Channel-Konzept in der Lage ist, effektiv auf das plötzliche Eintreffen von PUs zu reagieren.Jeder SU ist dabei mit zwei Transceivern ausgestattet, wobei einer davon stets für die Kommunikation auf dem gemeinsam genutzten Kontroll-Kanal (Common Control Channel) verantwortlich ist. Der zweite Transceiver ist so ausgelegt, dass dieser periodisch alle ungenutzten Kanäle absucht und dynamisch auf diese zugreifen kann. Um den Zustand eines Kanals (belegt/nicht belegt) korrekt erkennen zu können wird in dieser Arbeit eine einfache aber effektive Form des kooperativen Sensings genutzt. Die Performanz des Protokolls wurde mit Hilfe von Simulationen evaluiert. Die Ergebnisse zeigen, dass SWITCH im Vergleich zu anderen CR-MAC-Protokollen eine Verbesserung des Durchsatzes von bemerkenswerten 91,7% erzielen konnte. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die vorgeschlagenen Beiträge einen Schritt hin zu einer effektiveren Nutzung der verfügbaren Funkressourcen und zur Erhöhung der Kapazität von drahtlosen Ad-Hoc Netzwerken darstellen.Wireless ad hoc networks are becoming more ubiquitous in terms of devices, application areas, etc. due to their low cost and minimal deployment effort. Since all these networks operate in the unlicensed band, the problems of congestion and spectrum scarcity have arisen. On the other hand, a recent study by Federal Communications Commission (FCC) has revealed that swathes of licensed bands, measured by 70%, are unutilized. This highlights that the actual problem is not the scarcity of spectrum but inefficient allocation policies and usage. Therefore, this dissertation is focused on improving spectrum utilization and efficiency to tackle the spectrum scarcity problem and support further wireless ad hoc networks.This thesis proposes a new spectrum management concept called opportunistic spectrum access with backup channel (OSAB). The proposed concept provides secondary users (SUs) (e.g. ad hoc users) with the ability to adaptively and dynamically exploit channels from both licensed and unlicensed bands without interfering the legacy users of licensed bands, i.e. the so called primary users (PUs). Since existing radio systems offer very limited flexibility, cognitive radios (CR), which can sense and adapt to radio environments, are exploited to support such a dynamic concept. For the development of OSAB, the channels' characteristics from each band are taken into consideration. The main advantage of licensed channels is their availability in significant numbers, whereas, the main advantage of unlicensed channels is that all users have the same rights to channel access and thus no preemption occurs once a user obtains a channel. In addition, OSAB uses a backup channel (BC) to handle the appearance of PUs and thus facilitates SU communication. The proposed concept is extensively evaluated using a Markov chain model and compared to existing spectrum management approaches such as opportunistic spectrum access (OSA). The results indicate that OSAB decreases the dropping probability and the expected number of spectrum handoffs for SUs compared to OSA by 60% and 17% respectively.In order to apply OSAB practically, we develop a MAC protocol that reacts efficiently to sudden appearance of PUs. The new protocol is named opportunistic Spectrum access WITh backup CHannel (SWITCH) protocol. SWITCH is a decentralized, asynchronous, and contention-based MAC protocol. The BC's concept makes SWITCH extremely robust to the appearance of PUs. Each SU is equipped with two transceivers, one is tuned to a common control channel for the negotiation purpose with other SUs while the other is designed specifically to periodically sense and dynamically use the identified unused channels. To obtain the channel state accurately, we propose an efficient spectrum sensing strategy. This strategy is based on cooperative spectrum sensing among SUs. The performance of proposed protocol is evaluated through simulations. The results show that SWITCH accomplishes a remarkable 91.7% throughput gain over other CR-MAC protocolsTo conclude, the proposed contributions are a step forward towards efficient use of available radio resources and improve the spectrum capacity for wireless ad hoc networks

COOPERATIVE SPECTRUM ACCESS FOR DECENTRALIZED COGNITIVE RADIO SYSTEM

Cognitive radio (CR) is a promising technology available to that seeks the range and efficiency of spectrum dependent services. Its system maps unused spectrum, and arrange secondary user (SU) to operate within unoccupied license spectrum. The implementation of CR system guarantees that there are no interferences to primary user (PU) by prior observing and sensing the existing spectrum environment. Spectrum sensing is the main issue ofCR system to prevent the harmful interference to PU as a license user. However, practically detection performance is often compromised with multipath fading, shadowing and uncertainty noises. In order to minimize the impact of these issues, cooperative spectrum sensing and access is an effective method to improve detection performance

Immune system-inspired Evolutionary Opportunistic Spectrum Access in cognitive radio ad hoc networks

Underutilization of licensed spectrum stimulates the opportunistic spectrum access (OSA) paradigm that aims to enable unlicensed users to detect and access the temporarily unused spectrum bands so as to enhance overall spectrum utilization. However, the realization of these paradigms entails several difficulties such as self-organization of unlicensed users, self-regulation of communication parameters, and self-adaptation to time-varying radio environment. In nature, biological systems intrinsically have these great abilities that can be modeled and adopted to overcome the difficulties posed by opportunistic spectrum access. In this paper, a new Immune system-inspired Evolutionary Opportunistic Spectrum Access (ESA) protocol is introduced. Based on the self-nonself detection and clonal selection principles in immune system, ESA allows unlicensed users to separately detect, share, and access the available spectrum bands without interfering the licensed users. The overall ESA operations do not need for any priori information about the access statistics of licensed users and also do not need for any coordination and message exchanges among the network nodes. In addition, unlike the existing works, ESA does not require any dedicated control channel in the entire network. Furthermore, ESA also exploits the contention among the nodes and their mobility, if exists, towards accelerating the evolution in the system, and hence, yielding higher overall spectrum utilization. Performance evaluation results show that ESA achieves high throughput under various network conditions. ©2010 IEEE

Transmission range-aware clustering for green cognitive radio ad hoc networks

The absence of network infrastructure and opportunistic spectrum access in cognitive radio ad hoc networks (CRAHNs) results in connectivity and stability problems. Clustering is known as an effective technique to overcome this problem. Clustering improves network performance by implementing a logical network backbone. Therefore, how to efficiently construct this backbone among CRAHNs is of interest. In this paper, we propose a new clustering algorithm for CRAHNs. Moreover, we model a novel cluster head selection function based on the channel heterogeneity in term of transmission ranges. To the best of our knowledge, this is the first attempt to model the channel heterogeneity into the clustering formation in cognitive radio networks. Simulation results show that the performance of clustering is significantly improved by the channel heterogeneity considerations