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A coordinated distributed scheme for cognitive radio based IEEE 802.22 wireless mesh networks

Shamik Sengupta Department of Electrical and Computer Engineering Stevens Institute of Technology New Jersey 07030. Mainak Chatterjee School of Electrical Engineering and Computer Science University of Central Florida Orlando, FL 32816-2450. Rajarathnam Chandramouli

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A coordinated distributed scheme for cognitive radio based IEEE 802.22 wireless mesh networks

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Presentation Transcript

  1. ShamikSengupta Department of Electrical and Computer Engineering Stevens Institute of Technology New Jersey 07030 MainakChatterjee School of Electrical Engineering and Computer Science University of Central Florida Orlando, FL 32816-2450 RajarathnamChandramouli Department of Electrical and Computer Engineering Stevens Institute of Technology New Jersey 07030 A coordinated distributed scheme for cognitive radio based IEEE 802.22 wireless mesh networks 指導教授:郭文興 學生:林祺富

  2. Abstract • 802.22的目的就是要能夠有效的利用頻譜並且不影響主要使用者 • 本文設定了802.22mac的界線和提出了一個網格的網路來減少潛在的問題和控制信號 • 透過模擬我們證實了本文提出的網格演算法 • 減少了初始的潛在問題, • 降低了控制信號和一開始的延遲 • 也減低了網路之間的碰撞, • 最重要的是增加了頻譜的利用

  3. 目錄 • Abstract • INTRODUCTION • IEEE 802.22 MESH ARCHITECTURE • ESTABLISHING MESH WITH ENHANCED MAC • Allocating beacon period dynamically • Initial mesh establishment through pseudo-BS • Aggressive contention resolution • SIMULATION EXPERIMENTS AND RESULTS • Simulation model and parameters • Simulation results

  4. 目錄 • CONCLUSIONS • REFERENCES

  5. Introduction(1) • 2004年找到了有效的利用頻譜的方式,可以分出空白的頻寬和使用中的頻寬 • 可是靜態的頻譜分配對於主要使用者和頻譜的利用不是很理想 • 802.22被提出來解決這個問題,它可以透過CR感知並且動態的切換到空白的頻寬

  6. Introduction(2) • 802.22有兩種模式點對多點執行和點對點執行 • 點對多點就是BS負責傳給多個CPE或是反過來,可是這有可能會有隱藏使用者的問題 • 網格就是創造一個廣域的網狀網路 • 建立網格網路會遭遇到兩個主要的問題 • CPE如何和鄰近的CPE連接並且建立起網路 • 如何把干擾降到最低並且頻譜的效能提到最高

  7. Introduction(3) • 本文我們提出了以信標為基礎的分配方式,來維持網狀的結構 • 當某個CPE和BS連上線後他就成為一個假的BS • 透過這個方法BS和CPES就可以快速的創造一個802.22網格網路也可以切換頻道 • 透過模擬我們可以驗證我們所提出的方法對於802.22系統的幫助

  8. Introduction(4) • 第2章我們介紹了802.22的網格網路的結構 • 第3章提到了網格網路的初始化透過控制信號和,動態的分配廣播信標 • 第4章則是模擬的參數和結果 • 第5張作了總結

  9. IEEE 802.22 MESH ARCHITECTURE • 當有多個CPE卻沒有足夠的頻道可以使用時,CPE就會貪心的想要搶走所有頻寬 • 當每個CPE都這樣做的時候就會造成系統的效能降低 • 網格網路一開始是沒有CPE連上的,當有新的CPE要加入時或是主要使用者佔用了某些頻寬,CPE會重複的嘗試連線

  10. 建構MESH網路的步驟

  11. ESTABLISHING MESH WITH ENHANCED MAC • 透過動態的選擇頻寬給CPE和互相交換資訊 • 輪流的使用頻寬除非主要使用者回來或是發生隱藏的使用者問題 • 分配一系列的頻寬給每個CPE使用,這樣就可以傳輸資料並且把干擾降到最低 • 我們提出了3個加強MAC的效能的方法,這些方法是同時被執行的

  12. A. Allocating beacon period dynamically(1) • Networkbeacon period (NBP): • 主要使用者在使用的,裡面包含了頻道和功率的訊息 • foreign beacon period (FBP): • 是WRAN系統在使用的信標 • Sense/Sleep/Beacon Period (SSBP).: • 在這個階段,主要使用者和WRAN系統都會停止廣播信標 • 我們提出持續的動態使用FBP • FBP要可以和NBP共存並且他的數量是和假的BS成正比

  13. A. Allocating beacon period dynamically(2) • 802.22為了要能夠得到主要使用者的資訊也必須要能夠適應FBP • 802.22也會公告FBP最大的持續量,這個數量取決於假的BS的數量 • 我們也提出了假的BS也可以用TDMA來廣播信標 • 下圖中第一個superframe有2單位的FBP,第二個superframe則是有5個單元

  14. 信標之間的關聯

  15. A. Allocating beacon period dynamically(3) • 在廣播了頻寬的資訊之後,還沒建立好網格連線的CPE會嘗試和BS或是假的BS連線 • 透過BS的廣播可以讓還沒建立好連線的CPE有更多的機會建立好連線 • 現有的方法在建立網格網路中會造成較高的競爭和隱藏的威脅 • 每個FBP產生都是在BSS間隙之前

  16. A. Allocating beacon period dynamically(4) • 下載的頻道會使用TDMA的方式給BS和假的BS用來廣播,用來減少頻寬的使用率 • 上傳時對於每個BS和假的BS的廣播我們使用不同的頻道,這樣就大大減少了CPE之間的碰撞

  17. B. Initial mesh establishment through pseudo-BS • 我們提出了2個過程關於網格網路的建立: • 一開始的信標廣播過程 • 網格網路的建立透過協調分配建立連線

  18. 一開始的信標廣播過程(1) • signal-to-interference ratio(SIR): 雜訊比 • Pi:i傳輸的功率 • Gij:i和j之間連線的訊號 • W: 增加的白色高斯雜訊 • H(k, j) :k和j之間的訊號 • K:i以外的傳輸節點

  19. 一開始的信標廣播過程(2) • 全部的CPE在一開始都在等待第一個網格網路的廣播,當收到之後就可以加入網格網路 • 如果SIR值比預先設定的還要好,表示這個頻道是好用的 • 如果SIR值低於門檻值,CPE就會放棄這個頻道不打開BS的廣播信標 • 當BS或是發送者沒有收到CPE的連線回覆,延遲的時間就會結束並且選擇其他頻寬或是廣播下一個FBP

  20. 網格的網路建立透過協調分配建立連線(1) • 可以解碼的CPE就會更新離他1個距離或是2個距離的鄰居和上傳頻譜的資訊 • CPE之間彼此會互相競爭,獲勝的CPE可以和BS上傳 • CPE的頻譜使用報告可能會包含了距離1和2的鄰居資訊和假的BS身分的請求 • BS收到之後會回覆給CPE包含了頻譜的使用報告,資料的傳輸,還有假的BS身分和一個假的BS廣播的時間標記

  21. 網格的網路建立透過協調分配建立連線(2) • 沒和BS連上的CPE會遵守多重廣播和SIR值的門檻 • 因為上傳的頻道是不同的,所以多個CPE可以同時連上點對點網路,這個過程會一直重複 • 這個方法減少了每個CPE之間的碰撞和潛在的干擾 • 由於廣播的訊息包含了2個距離的鄰居,所以建立出來的資訊也更多,這對頻譜的分配是有利的

  22. C. Aggressive contention resolution(1) • 和801.11的競爭規則一樣,多了backoff的隨機數量和碰撞的避免 • Backoff的隨機數量取決於SIR值的反函數,所以SIR值越大表示干擾越小,所以Backoff的隨機數量就越小,可以越早建立連線 • 假設原本Backoff的隨機數量是[0,3]和[0,7]當第一次發生碰撞後 ,第2次Backoff的隨機數量會增加為[0,7]和[0,15]

  23. C. Aggressive contention resolution(2) • M是要建立連線的CPE,N是M中比較靠近廣播來源的 • 現有的方法Backoff的隨機數量[0,(y-1)],提出的方法Backoff的隨機數量[0,(x-1)]

  24. C. Aggressive contention resolution(3) • 只有計算N的部份 • 當X和Y很大的時候 • 當X和Y不是很大的時候 • 假設(x − 1) = 3 和 (y − 1) = 7, N 最大值= 5

  25. 模擬的模型 • 使用C和在UNIX環境下執行 • 範圍是在50*50公里 • 在我們的模擬中電視的傳輸和接收量是固定的 • BS中的CPE也是隨機分布的 • 使用定向天線來傳輸,全向天線來感知主要使用者

  26. 模擬的參數

  27. CPE平均的碰撞次數和控制訊息的平均數量

  28. 頻譜利用的效能

  29. 延遲的時間差異

  30. CONCLUSIONS • 本文我們主要是在介紹802.22的網格網路架構 • 我們是如何建立起網格的架構 • 如何動態的分配頻寬和介紹了假的BS • 透過模擬我們可以發現我們提出的網格網路架構可以減少控制信號,網格網路之間的碰撞和增加頻譜的效能

  31. REFERENCES • [1] M. Buddhikot, P. Kolodzy, S. Miller, K. Ryan and J. Evans, “DIMSUMnet:New Directions in Wireless Networking Using CoordinatedDynamic Spectrum Access”, IEEE WoWMoM 2005, pp. 78-85. • [2] C. Cordeiro, K. Challapali, D. Birru, Sai Shankar, “IEEE 802.22: the firstworldwide wireless standard based on cognitive radios”, IEEE DySPAN2005, pp. 328 - 337. • [3] J. Gong, D. Reed, T. Shaw, D. Vivanco, and J. Martin, “QAM ResourceAllocation in Mixed-Format VoD Systems”, JOURNAL OF COMMUNICATIONS(JCM), vol. 2, Issue 1, 2007, pp. 1-9. • [4] S. D. Jones, E. Jung, X. Liu, N. Merheb, I-J. Wang, “Characterizationof Spectrum Activities in the U.S. Public Safety Band for OpportunisticSpectrum Access”, IEEE Symposium on New Frontiers in DynamicSpectrum Access Networks (DySPAN), 2007, pp. 137-146.

  32. REFERENCES • [5] M. Pitchaimani, B. J. Ewy, J. B. Evans, “Evaluating Techniques for NetworkLayer Independence in Cognitive Networks”, IEEE InternationalConference on Communications, June 2007, pp. 6527-6531. • [6] D. Raychaudhuri, N. Mandayam, J. Evans, B. Ewy, S. Seshan, P.Steenkiste, “CogNet An Architectural Foundation for ExperimentalCognitive Radio Networks within the Future Internet”, Proceedings ofACM/IEEE MobiArch 2006, San Francisco, December 2006. • [7] S. Sengupta, S. Brahma, M. Chatterjee and Sai Shankar N, “Enhancementsto cognitive radio based IEEE 802.22 air-interface”, IEEEInternational Conference on Communications (ICC) 2007. • [8] http://www.ieee802.org/22/

  33. REFERENCES • [9] Federal Communications Commission (FCC), “Notice of Proposed RuleMaking”, ET Docket no. 04-113, May, 2004. • [10]http://www.sharedspectrum.com/inc/content/measurements/nsf/NYC report.pdf.

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