Bilişsel radyo ağlarında servis kalitesini yükseltmeye yönelik yeni yaklaşımlar

Kablosuz haberleşmenin, çok çeşitli hizmet ve uygulamalar sayesinde oldukça yaygınlaşması ile birlikte, hem lisanslı hem de sertifika veya lisansa gerek olmadan kullanıma açık olan spektrum alanlarının mümkün olan en yüksek verimle kullanılması önemli bir problem olarak ortaya çıkmıştır. Mevcut ağ standardlarında, lisanslanan bir bant, lisans süresi boyunca sadece lisans sahibi tarafından kullanılabilmektedir. Lisanslı bantlarda kullanılan kablosuz haberleşme ağlarının kullanım istatistikleri, uzayda, zamanda ve frekansta yüksek değişkenlik göstermektedir. Amerika Birleşik Devletleri'nin telekomünikasyon otoritesi Federal Communications Commission (FCC) tarafından yapılan ölçümler, lisanslı bantların %90'a varan oranlarda kullanılmadığını göstermiştir. Bilişsel radyo ağları, ikincil kullanıcı ve onların oluşturduğu ikincil ağlar tanımlayarak, doğası gereği kısıtlı bir kaynak olan spektrum alanlarında ortaya çıkan talep artışı problemine bir çözüm olarak ortaya çıkmıştır. Yazılım ile kontrol edilebilen alıcı-verici modülleri sayesinde, bu ikincil kullanıcılar, radyo iletişimlerini, birincil kullanıcıların kullanmadıkları alanları kullanmak şeklinde, fırsatçı ve dinamik bir şekilde yapabilmektedirler. Kablosuz ve akıllı cihazların çeşit ve kullanım yaygınlığı son yıllarda sürekli artış göstermektedir. Yakın gelecekte ise bu artışın çok daha da büyük oranlar ile olacağı ve haberleşme trafiğinin de paralel olarak artacağı öngörülmektedir. Bu gibi kablosuz teknolojilerin yaygınlaşması, makinelerin ve araçların haberleşmesi, nesnelerin interneti gibi ortaya çıkan pek çok yeni teknoloji ile birlikte, haberleşme kaynaklarının önemi artmakta, bu durum spektrumun giderek kalabalıklaşması sonucunu doğurmaktadır. Artan veri trafiği içerisinde, yapılan pek çok saha çalışmasının da desteklediği üzere, yüksek servis kalitesi gerektiren mobil video gibi trafiklerin oranının artacağı da beklenmektedir. Bilişsel radyo ağları kısıtlı haklara sahip ikincil kullanıcılar için tanımlanmış olmalarına rağmen, giderek artan kablosuz veri trafiği düşünüldüğünde, bu ağlarda da trafik hacminin ve kullanıcıların yüksek servis kalitesi ihtiyaçlarının hızla artış göstereceği tahmin edilmektedir. Bu öngörüler dikkate alınarak, bu tezde, bilişsel radyo ağlarında servis kalitesini yükseltmeye yönelik yeni yaklaşımlar üzerine çalışmalar yapılmış ve önerilen yaklaşımlara ait performans değerlendirmeleri gerçekleştirilmiştir. Tez çalışmalarının ilk kısmında, trafik istekleri çeşitli servis kalitesi seviyelerinde olan ikincil kullanıcılar göz önüne alınmıştır. Bu kullanıcıların spektrum kullanımları ile ilgili olarak, literatürde yer alan çözümlere göre daha avantajlı olan bir kanal seçme algoritması önerilmiş ve performansı değerlendirilmiştir. önerilen yöntemde, ilk aşama olarak, spekrum boşluğu belirlenen kanaldaki birincil kullanıcının zamana bağlı trafik davranışı tahmin edilmektedir. Bu tahmin, birincil kullanıcının kullandığı kanalı ne kadar sıklıkta kullandığının bir göstergesi olup, aynı zamanda iki spektrum boşluğu arasındaki zaman dilimininin uzunluğu hakkında da fikir vermektedir. İkincil kullanıcılar, spektrum algılama modüllerinin çıktısını sürekli olarak kaydederek birincil kullanıcıya ait geçmiş kullanım bilgilerini kendilerinde saklamaktadırlar. Kayan bir ortalama penceresi yardımı ile, ikincil kullanıcılar karar anında pencerede yer alan verilen ortalama değerini üç seviye olarak tanımlanmış sınıflardan birini seçmekte kullanmaktadır. Tahmin edilen birincil kullanıcı zamansal trafik yoğunluğu bilgisi, ikincil kullanıcılar tarafından kanal seçme aşamasında kullanılmaktadır. önerilen birincil kullanıcı aktivite tahmin yöntemi, dağıtık olarak çalışan ikincil kullanıcıların her biri tarafından bağımsız bir şekilde gerçeklenebilmekte ve ek bir merkez veya komşu kullanıcılar arası kontrol mesajlaşması gerektirmemektedir. Birincil kullanıcı aktivitesi tahmin edildikten sonra çeşitli servis kalitesi seviyelerine ait kuyruklarda beklemekte olan paketlerden uygun olan seçilerek kanal ataması işlemi yapılmaktadır. Gerçek zamanlı video trafiği gibi örneklendirebileceğimiz yüksek servis kalitesi gerektiren trafik tiplerine ait veri paketleri, alıcı tarafa çok büyük bir gecikme ile ulaştıklarında, son kullanıcı açısından değer kaybetmekte ve herhangi bir pozitif etkiye sebep olmamaktadır. Bu sebeple, bu paketlere belirli bir zaman kısıtı eklenerek, bu zaman kısıtı içerisinde alıcı tarafa ulaşmayan paketlerin sistemdeki kuyruklarda düşürülerek ilerlemeleri engellenmektedir. önerilen kanal seçiminde faydalanılan temel motivasyon da, birincil kullanıcılar tarafından sıklıkla kullanılan bir spektrum bölgesinde oluşabilecek boşlukların arasındaki aralığın uzun olabileceği, bu sebeple bu kanalın yüksek servis kalitesi gerektiren ikincil kullanıcı trafiği için uygun olmayacağıdır. Bu gözlemin yanı sıra, bahsi geçen birincil kullanıcıların yoğun olarak kullandıkları kanal, düşük servis kalitesi isteği olan, iletim gecikmelerine çok duyarlı olmayan veri istekleri için kullanılarak, bulunan boşlukların yine verimli bir şekilde değerlendirilmesi sağlanabilmektedir. Önerilen algoritma sezgisel bir yaklaşım olduğu için, ilk performans değerlendirmeleri tek kanal üzerinde ve tek bir ikincil kullanıcı kullanılarak oldukça sade bir bilişsel radyo ağı üzerinde gerçeklenmiştir. Sonrasında, önerilen kanal ve paket seçme algoritması çoklu kanal sistemlerine uygun hale getirilerek, daha gerçekçi bir ağ modeli olan çoklu kanal ve çoklu ikincil kullanıcı modelinde çalışılmaya devam edilmiştir. Bu modelde, kanal seçimlerinin yanı sıra, kendi çıkarlarını gözetmek üzere tasarlanmış olan ikincil kullanıcıların, aynı spektrum olanaklarında spektrumu kullanmak üzere karar alacak olmalarından dolayı oluşabilecek çakışmaları önlemek amacıyla, bir ikincil kullanıcı haberleşme sıralama algoritması tasarlanmıştır. önerilen sıralama algoritması da kullanılan ağ modeline uygun olarak dağıtık bir yapıda tasarlanmış olup, sisteme yeni bir kullanıcı gelmesi veya sistemden bir kullanıcı ayrılması durumları haricinde, merkezi bir bilgi alışverişine ihtiyaç duymamaktadır. Önerilen yöntemlere ilişkin olarak, gerekli sistem birleşenleri MATLAB ortamında modellenmiş olup, çok çeşitli ağ paramatreleri ile performans değerlendirmeleri yapılmıştır. önerilen yöntemlerin, referans yöntemlerle karşılaştırıldığında daha yüksek performansa sahip olduğu görülmüştür. Kullanılan başarım ölçütü ise, çeşitli servis kalitesi seviyelerindeki paketlerin alıcı kullanıcıya ulaşma oranlarının ağırlıklı toplamı olarak tanımlanmıştır. Kullanılan modelde spektrum boşlukları hatasız bir şekilde algılanabildiği ve önerilen sıralama algoritması ikincil kullanıcılar arasındaki çakışmaları tamamiyle engellediği için, spektrum bosluklarının hepsi efektif olarak kullanılabilmektedir. Kullanılan boşlukların, alıcı açısından daha değerli paketler için kullanılıp kullanılmadığı bilgisi ise bu tanımlanan metrik ile yansıtılmaktadır. Tezin bu kısmında önerilen yöntemler, karmaşıklığı düşük, dağıtık bir şekilde gerçeklenebilir ve geleneksel yönteme göre denk veya bazı koşullarda daha iyi olan bir performansa sahip olan spektrum karar ve paylaşım yöntemleridir. Tez çalışmalarının ikinci kısmında, bilişsel ağlarda ikincil kullanıcılara servis kalitesi sağlamaya yönelik çalışmalar kapsamında özel bir trafik tipi olan video transferi konusuna yoğunlaşılmıştır. Bu bağlamda, MPEG-2 tabanlı kodlama kullanılan video transferi örnek problem olarak ele alınmış, dağıtık ve çerçeve tiplerini ele alan bir kuyruklama yöntemi önerilmiş ve değerlendirilmiştir. önerilen kuyruklama yönteminde katkıda bulunulan kısım, veri paketlerinin iletim kuyruğuna yerleştirilmesi aşaması olup, bu yöntem ile daha önemli paketlerin kuyrukta daha önde yer almaları sağlanmıştır. önerilen yöntemdeki temel fikir, kuyrukta daha önde yer alan bu paketlerin bekleme zamanlarının belirli bir değeri aşması sebebi ile düşürülmesi olasılıklarının diğer paketlere oranla azaltılmış olmasıdır. Böylelikle, çeşitli ağ durumları sebebi ile paket kaybnını önlenemediği sistemlerde, düşen paketlerin, yüksek önemli paketler yerine daha az önemli olan paketlerden oluşması sağlanmıştır. Sistemdeki paketlerin değişiklik gösteren önemleri ise taşıdıkları çerçevelerin uygulanan kodlama yöntemindeki görevleri ile ilgli olarak tanımlanmıştır. Kod çözme aşamasında diğer çerçevelerin çözülmeleri için alıcı tarafa ulaşması gereken referans çerçevelere ait paketler yüksek önemli paketler iken, paket kaybına uğradıklarında kendilerinden başka paketin kod çözme aşamasında herhangi bir zararına sebep olmayacak paketler ise en az önemli paketler olarak tanımlanmıştır. MPEG-2 kodlama yönteminde, paketlere önem açısından bakıldığında, I, P ve B tipi çerçeveler taşıyan paketler, sırasıyla, en çok, orta ve en az önemli paketler olarak değerlendirilmiştir. Kısaca tanımlandığında, bu kodlama yönteminde, kodlanmış video karelerine ilişkin olarak, en az sıkıştırma oranına sahip I çerçeveleri, sadece ilgili video karesine bağlı olarak kodlandıklarından, başka çerçevelere ihtiyaç duymadan alıcı tarafında çözülebilmektedir. P tipi çerçeveler ise, ilgili video karesine ek olarak, kendilerinden önceki I ya da P tipi çerçevelere de bağlı olarak tanımlanmaktadır. P çerçeveleri, I ya da P çerçevelerine göre oluşan farklılıkları kodladıkları için, daha yüksek sıkıştırma avantajına sahip olmakla birlikte, alıcı tarafta çözülebilmeleri için, kullandıkları I ya da P çerçevesinin de alıcı tarafa ulaşmasını gerektirmektedir. Daha da yüksek sıkıştırma oranları elde edebilmek üzere, hem kendinden önceki hem de kendinden sonraki çerçevelere refrans verebilen, çift yönlü fark bilgisi içerebilen B tipi çerçeveler ise boyut olarak en küçük çerçeve olmaları avantajlarına sahiptir. Buna karşın, alıcı tarafta çözülebilmeleri için, P tipine benzer şekilde, referans olarak kullandıkları her iki çerçevenin de alıcıya erişmiş olmasını gerektirmektedirler. Bu nedenle, I çerçevelerinin kaybolması bağımlı P ve B çerçevelerinin de kaybına sebep olabileceğinden, bu çerçeveler en önemli, P çerçevelerinin kaybolması benzer şekilde B çerçevelerinin çözülmesine engel olabileceğinden orta önemli, B çerçevelerinin kaybolması ise tekil bir kayıba sebep olacağı için bu çerçeveler en az önemli olarak değerlendirilmiştir. Tezin ikinci kısmında önerilen yöntem, tasarlanan MATLAB modeli ile simule edilmiştir. Bu modele destek olarak, video kodlama ve kod çözme aşamalarında ise FFmpeg programından faydalanılmıştır. çeşitli görsel video kalite metrikleri açısından, önerilen yöntemin geleneksel yönteme oranla daha başarılı olduğu gösterilmiştir. Geleneksel yöntem olarak bahsi geçen yöntemde, paketler içerdikleri çerçevelerin tipine bağlı olmaksızın, haberleşme kuyruğuna çerçeve sıraları ile yerleştirilmektedir. Bu sebeple, bu yöntemde, veri kayıplarının dağılımı üzerinde herhangi bir etki olmamakta, önerilen yönteme göre daha fazla miktarda kayıplar yaşanabilmektedir. Kullanılan perfromans ölçütleri, pek çok referans çalışmada da kullanılmakta olan, Tepe İşaret Gürültü Oranı (PSNR), Ortalama Yapısal Benzerlik Oranı (MSSIM) ve çözülebilen çerçeve oranı (Q) şeklindedir.