Cognitive radio networks (CRNs) have been regarded as a potential enabling technology to solve the spectrum scarcity due to the fixed spectrum assignment policy and the rapid rise of wireless devices. In CRNs, the spectrum utilization is improved by allowing secondary users (SUs) to opportunistically access the channels which are not occupied by primary users (PUs) in the licensed bands such as “TV white spaces”. Although the CR technology is very attracting to increase overall spectral efficiency, in practice, the CR-MAC design faces up several challenges: control channel design for sharing sensing result and negotiating multi-channel access, coexistence between SUs and PUs, multi-channel operation for network throughput improvement, ease of switching overhead reduction, and radio cost effectiveness. The subject of this dissertation is the design of multi-channel medium access control (MAC) protocols which effectively solve the challenges in distributed or centralized CRNs where each SU has only one half-duplex radio for the minimal radio cost.
In the first part, a slow hopping based cooperative sensing MAC (SHCS-MAC) protocol is proposed for the distributed network architecture where the spectrum utilization is improved by allowing different source-destination pairs to simultaneously exchange data packets in different channels. The proposed SHCS-MAC protocol features bootstrapping, multi-channel operation, cooperative sensing, and self-coexistence. Bootstrapping algorithm enables a new SU to join a common hopping based network. Slow hopping based multi-channel operation improves network throughput by enabling concurrent data exchange in different channels on common hopping sequence in which the slot duration can be flexibly selected. Furthermore, for the slow hopping based multi-channel MAC, this thesis presents a cooperative sensing protocol which enables SUs to promptly evacuate from the channel in which a PU appears. Additionally, self-coexistence protocol is proposed to mitigate the performance degradation due to the interference among neighboring networks. Through extensive simulation and analysis, SHCS-MAC is shown to efficiently increase network capacity, improve PU detection probability, and achieve self-coexistence with the minimal radio cost.
In the second part, a flexible multi-interface MAC (FMI-MAC) protocol is presented to efficiently improve network capacity in the infrastructure based CRNs where the data traffics of SUs are concentrated at AP which is a gateway for a backbone network (e.g., Internet) access. The design goal is to fully utilize all the available interfaces of AP even when the number of multi-interfaces of AP is flexibly configured according to system requirement. An interleaved hopping based general mechanism is devised for any multi-interfaces of AP to accommodate an arbitrary number of licensed channels. Furthermore, a downlink synchronization protocol is presented for SU with potential downlink packets to be synchronized to the channel in which the corresponding interface of AP resides. Evaluation results show that FMI-MAC effectively increases network capacity in uplink and downlink scenarios without and with PU activity.
고정 스펙트럼 할당 정책과 무선 기기들의 급속한 증가로 인해 주파수 부족 문제가 심각해지고 있으며 이를 해결하기 위한 잠재적인 기술로서 인지 라디오 네트워크 (cognitive radio networks) 에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 인지 라디오 네트워크에서는 후 순위 사용자 (secondary user) 가 선 순위 사용자 (primary user) 에게 할당된 스펙트럼 대역의 채널을 기회적 (opportunistically) 으로 공유함으로써 전체적인 스펙트럼 사용 효율을 향상 시킨다. 하지만, 실제로 인지 라디오 네트워크를 위한 다중 채널 매체 접근 제어 (multi-channel medium access control) 프로토콜을 설계하기 위해선 다양한 도전에 직면하게 된다. 예를 들어, 스펙트럼 센싱 (spectrum sensing) 결과를 공유하고 다중 채널 접근을 위한 협상을 위해 필요한 제어 채널 설계 (control channel design), 공유된 채널에서 후 순위 사용자와 선 순위 사용자 사이에 효과적인 공존 (coexistence), 네트워크 처리량 향상을 위한 다중 채널 동작 (multi-channel operation), 라디오 채널 스위칭 오버헤드 감소 (switching overhead reduction) 의 용이성, 라디오 비용 효율성 (cost effectiveness) 등이 있다. 본 논문의 주제는 분산된 (distributed) 혹은 집중화된 (centralized) 인지 라디오 네트워크 아키텍처에서 이러한 도전 과제들을 효과적으로 해결할 수 있는 다중 채널 매체 접근 제어 프로토콜들을 설계하는 것이다. 프로토콜 설계에 있어서 최소 라디오 비용을 위해서 후 순위 사용자는 오직 하나의 반이중 라디오 (half-duplex radio) 만 활용 가능하다고 가정한다.
본 논문의 첫 번째 부분에서는 서로 다른 원천/목적지 쌍 (source-destination pair) 을 가지는 후 순위 사용자들이 서로 다른 채널에서 동시에 데이터를 전송할 수 있게 함으로써 스펙트럼 사용 효율을 향상시킬 수 있는 느린 호핑 기반의 협력 센싱 매체 접근 제어 (SHCS-MAC: Slow-Hopping based Cooperative Sensing MAC) 프로토콜을 제안한다. 제안된 SHCS-MAC 프로토콜은 부트스트래핑 (bootstrapping), 다중 채널 동작, 협력 센싱, 자기 공존 (self-coexistence) 을 특징으로 한다. 부트스트래핑 알고리즘은 새로운 후 순위 사용자가 공통 호핑 (common hopping) 기반 네트워크에 합류할 수 있도록 한다. 느린 호핑 기반 다중 채널 동작은 공통 호핑 시퀀스 (common hopping sequence) 상에 서로 다른 채널들에서 동시에 데이터 교환을 가능하게 함으로써 단위 시간 당 네트워크의 처리량 (network throughput) 을 향상시킨다. 공통 호핑 시퀀스의 한 슬롯 지속 기간 (one slot duration) 은 라디오 채널 스위칭 오버헤드를 줄이기 위해서 유연하게 선택될 수 있도록 설계되었다. 뿐만 아니라 선 순위 사용자가 나타나면 그 채널을 사용하고 있는 후 순위 사용자가 즉시 대피할 수 있도록 하는 협력 센싱 프로토콜이 고안되었다. 덧붙여, 이웃하는 네트워크 사이에 간섭으로 인한 성능 저하를 완화시키기 위한 자기 공존 프로토콜이 제안되었다. 다양한 시뮬레이션과 분석을 통해 SHCS-MAC이 효과적으로 네트워크 용량을 증가시키고 선 순위 사용자 탐지 확률 (detection probability) 을 향상시키며 자기 공존을 달성함을 보였다.
논문의 두 번째 부분에서는 후 순위 사용자들의 트래픽이 인터넷과 같은 기간 망에 접속하기 위해 접근점 (access point) 에 집중되는 인프라 기반 인지 라디오 네트워크 (infrastructure based CRN) 에서 네트워크 용량을 효율적으로 증가시키기 위한 융통성 있는 다중 인터페이스 매체 접근 제어 (FMI-MAC: Flexible Multi-Interface MAC) 프로토콜이 기술된다. FMI-MAC 설계 목표는 접근점에 다중 인터페이스의 개수가 시스템 요구 사항에 따라 가변적으로 설정되더라도 가용한 인터페이스를 충분히 활용하는 것이다. 임의의 다중 인터페이스를 가지는 접근점이 임의의 개수의 채널들을 수용하기 위해서 인터리브 호핑 기반의 보편적인 방법 (interleaved hopping based general mechanism) 이 고안되었다. 뿐만 아니라 잠재적인 다운 링크 패킷을 가지는 후 순위 사용자가 접근점의 해당 인터페이스가 거주하는 채널에 동기화될 수 있도록 하는 다운 링크 동기화 (downlink synchronization) 기법이 고안되었다. 평가 결과는 FMI-MAC프로토콜이 선 순위 사용자의 활동 유무에 상관없이 업/다운 링크 시나리오에서 모두 네트워크 용량을 효과적으로 증가시킴을 보여준다.
