24
10/ 05/ 2012 1 Cognitive Networks Prof. Luiz DaSilva Theory and Practice of Cognitive Radio  Aalborg University  May 9-11, 2012 Cognitive Networks:  Architectures  and Principles Opportunistic Channel Access and Rendezvous MACs for Cognitive Networks CrossLayer  Design

Cognitive Networks Dasilva

Embed Size (px)

Citation preview

8/13/2019 Cognitive Networks Dasilva

http://slidepdf.com/reader/full/cognitive-networks-dasilva 1/24

10/ 05/ 2012

1

Cognitive Networks

Prof. Luiz DaSilva

Theory and Practice of Cognitive Radio

 Aalborg University

 May 9-11, 2012

Cognitive Networks: 

Architectures and Principles

Opportunistic Channel Access 

and Rendezvous

MACs for Cognitive Networks

Cross‐Layer Design

8/13/2019 Cognitive Networks Dasilva

http://slidepdf.com/reader/full/cognitive-networks-dasilva 2/24

10/ 05/ 2012

2

Bringing the network  into the  picture

•   In a network of  autonomous, adaptive radios, 

do individual optimizations result in network‐

wide optimal performance?

•   How much information about network 

conditions must independent radios have to 

make effective adaptations?

•   Learning and reasoning are needed to manage 

complex cross‐layer optimizations

 A definition

• A cognitive network has a cognitive process that can perceive 

current network conditions, and then plan, decide and act on 

those conditions.  The network can learn from these 

adaptations and use them to make future decisions, all while 

taking into account end‐to‐end goals

• Critical components: –   Cognition (as opposed to reactive, localized schemes) 

 –   End ‐to‐end  goals (as opposed to layer level goals)

• Does not specify application or mechanism

R. W. Thomas, L. A. DaSilva, and A. B. MacKenzie,  “Cognitive 

Networks,” IEEE  DySPAN, 2005.

8/13/2019 Cognitive Networks Dasilva

http://slidepdf.com/reader/full/cognitive-networks-dasilva 3/24

10/ 05/ 2012

3

Node

Link

Network

Dynamic 

frequency

selection

Beam 

forming/

nulling

Power 

control

MIMO

Topology 

control

Spectrum

negotiation

Cooperative

Comms.

Waveform

selection

Adaptive

routing

In a cognitive radio network, adaptations can occur  at  

multiple layers, and  they  interact  with one another 

Network

coding

8/13/2019 Cognitive Networks Dasilva

http://slidepdf.com/reader/full/cognitive-networks-dasilva 4/24

10/ 05/ 2012

4

Cognitive Network   Architectures: Example 1

Cognitive

element

element goal

cognitive element

element goal

end-to-end goalend-to-end goal end-to-end goal

cognitive element

element goal

cognitive

element

element goal(s)

cognitive

element

element goal

cognitive

element

element goal

CSL

RequirementsLayer 

CognitiveProcess

Software

 Adaptab leNetwork

configurable

elementconfigurable

element

configurable

element

network

statussensor 

network

statussensor 

cognitive

element

element goal(s)

element

status

transfer 

SAN API

R. W. Thomas, D. H. Friend, L. A. DaSilva, and A. B. MacKenzie,  

“Cognitive Networks: Adaptation and Learning to Achieve 

End‐to‐end Performance Objectives,” IEEE  Communications 

Magazine, Dec. 2006

Cognitive Network   Architectures: Example 2

P. Sutton, L. Doyle, and K. Nolan, “A Reconfigurable Platform 

for Cognitive Networks,” Proc. CROWNCOM, 2006

8/13/2019 Cognitive Networks Dasilva

http://slidepdf.com/reader/full/cognitive-networks-dasilva 5/24

10/ 05/ 2012

5

Cognitive Network   Architectures: Example 3

P. Mahonen, M. Petrova, J. Riihijarvi, and M. Wellens, 

“Cognitive Wireless Networks:  Your Network Just Became a 

Teenager,” INFOCOM (poster), 2006

Opportunistic  channel  access: cognitive 

radio  perspective

•   Scenario: a set of  channels {1, 2, …, N} is 

allocated to an incumbent/primary user 

(PU) and can be opportunistically utilized, 

on a non‐interfering basis, by a secondary 

user (SU)

•   Problem: the SU must select the ‘best’ 

channel in which to operate 

•   Challenges:

•   Accurate, reliable sensing

•   Learning patterns of  utilization of  

channels by PU

•   Abiding by interference constraints

1

2

3

 N

channels

 primary

user

1

secondary

user

8/13/2019 Cognitive Networks Dasilva

http://slidepdf.com/reader/full/cognitive-networks-dasilva 6/24

10/ 05/ 2012

6

Opportunistic  channel  access: cognitive 

network   perspective

•   Scenario: a set of  M cognitive radios now 

compete for opportunistic access to the N 

channels that are allocated to a PU

•   Problem: the SUs must select a good 

channel but also to coexist efficiently 

(and peacefully) with other SUs

•   Additional challenges:

•   Intra‐SU competition and/or 

cooperation

•   Fairness and efficiency in resource 

allocation

•   Topology control, routing

1

2

3

 N

channels

 primary

user

1

secondary

users

 M…

Extended  example: channel  

selection by  autonomous, 

 frequency ‐agile radios

•   Problem: M cognitive radio 

pairs sense from a set of  N 

channels. When a CR finds a 

free channel, it transmits for 

the remainder of  the time 

slot.

•   A CR’s throughput is affected 

by other CRs’ success in 

finding a vacant channel, as 

well as by PU activity.

•   There is the potential to learn 

from past choices and 

observations.

Z. Khan, J. J. Lehtomaki, L. A. DaSilva, and M. Latva‐aho, 

“Autonomous Sensing Order Selection Strategies 

Exploiting Channel Access Information ,”  IEEE  Trans. on 

Mobile Computing (in press, 2012)

8/13/2019 Cognitive Networks Dasilva

http://slidepdf.com/reader/full/cognitive-networks-dasilva 7/24

10/ 05/ 2012

7

Extended  example: channel  

selection by 

 autonomous,

  frequency ‐agile radios

Objective – A mechanism to 

enable CRs to autonomously 

arrive at collision‐free sensing 

orders

•   Problem is complicated by the 

presence of  the PU and by the 

possibility of  false alarms

Extended  example: channel  selection 

by  autonomous,  frequency ‐agile 

radios

•   Sensing orders selected from a Latin 

square.

•   Initially, each CR selects any sensing 

order with equal probability.

•   Whenever successful, or if  it finds 

all channels busy, the CR selects the 

same sensing order in the next slot.

•   In the case of  a collision, the CR 

multiplicatively decreases the 

probability of  picking the same 

sensing order, by a factor γ, with all 

other sensing orders equally likely.

all permutations

of 4 channels

a Latin square

8/13/2019 Cognitive Networks Dasilva

http://slidepdf.com/reader/full/cognitive-networks-dasilva 8/24

10/ 05/ 2012

8

Extended  example: channel  selection 

by  autonomous,

  frequency 

‐agile

 radios

[Thm] When N = M, and 0  ≤P[false 

alarm] < 0.5, for any 0 < γ <1 the 

network converges to collision‐free 

sensing orders 

When N > M, convergence to collision‐

free sensing orders is even faster (N = 

M is the ‘worst case’ for convergence)

[Proposition] When P[PU present] = 0, 

the expected number of  slots until 

collision‐free sensing orders are 

obtained is O(N)

 N = M = 10

TTC = time to

arrive at

collision-free

sensing orders

Extended  example: channel  selection by  

autonomous,  frequency ‐agile radios

Analytical results

•   An (ugly) analytical expression for M=2

•   A bound for M > 2

8/13/2019 Cognitive Networks Dasilva

http://slidepdf.com/reader/full/cognitive-networks-dasilva 9/24

10/ 05/ 2012

9

Extended  example: channel  selection 

by  autonomous,

  frequency 

‐agile

 radios

Comparison:

RPS: random sensing order selection 

from all permutations of  channels

LS: random sensing order selection 

from a Latin square

rand‐AP/LS: randomize after collision

MxP[N,M,θ]: average # of  successful 

transmissions in a time slot

Radio Rendezvous

• A meeting at an established time and place

 – From the French “rendez vous,” for “present yourself”

• The ability of  two or more radios to meet and establish a link 

on a common channel, bootstrapping communication

 – A requirement of  any multi‐channel system

 – In opportunistic spectrum access, particularly challenging 

due to large number of  potentially usable channels and 

presence of  incumbents

• Rendezvous also includes link maintenance as channel 

availability changes

8/13/2019 Cognitive Networks Dasilva

http://slidepdf.com/reader/full/cognitive-networks-dasilva 10/24

10/ 05/ 2012

10

Rendezvous Taxonomy 

Rendezvous

Unaided

Singlecontrolchannel

Multiplecontrol

channels

No controlchannel

 Aided

Dedicatedcontrolchannel

 Aided  vs. Unaided  Rendezvous

• Aided (infrastructure‐based)

 – Accomplished with the help of  a server

 – Server periodically broadcasts channel availability 

information

 – Server may also serve as a clearinghouse for link 

establishment and scheduling of  transmissions

 – Typically uses a well‐known control channel

• Unaided (infrastructure‐less)

 – Radios are on their own

 – May or may not use dedicated control channels

8/13/2019 Cognitive Networks Dasilva

http://slidepdf.com/reader/full/cognitive-networks-dasilva 11/24

10/ 05/ 2012

11

Control  Channel  Tradeoffs

• Use of  a control channel for rendezvous and channel 

reservation

 – Simplifies the rendezvous and negotiation processes

 – But creates a bottleneck and single point of  failure

• Use of  locally‐selected control channels

 – Improves scalability and reduces bottlenecks

 – But imposes the overhead of  cluster formation and control 

channel selection

• Control messages exchanged over data channels

 – Scalable, flexible, distributed solution

 – But adds complexity to rendezvous

Dedicated  Control  Channel: 

Infrastructure Networks

•   Spectrum information 

channels

•   Clients dedicate an interface 

to scan these channels

•   Base station broadcasts info 

about channel availability, 

interference conditions

•   Clients use the same channel 

to request the use of  an 

available data channel for 

their traffic

M. Buddhikot et al., “DIMSUMNet: New Directions in 

Wireless Networking Using Coordinated Dynamic 

Spectrum Access ,”  IEEE  WOWMOM, 2005.

8/13/2019 Cognitive Networks Dasilva

http://slidepdf.com/reader/full/cognitive-networks-dasilva 12/24

10/ 05/ 2012

12

Dedicated  Control  Channel:  Ad  Hoc  Networks

• Radios periodically monitor a known control channel

 – Or, if  multiple transceivers are available, one is dedicated 

to that purpose

 – Channel occupancy announcements are periodically 

broadcast by all nodes on this channel 

• Negotiation of  data channels 

 – For example, through the exchange of  RTS/CTS

• Once negotiation is completed, transmitter and receiver move 

to the reserved data channel 

 – And start broadcasting channel occupancy announcements 

on the control channel

Dynamically  Changing Control  Channel 

• Example: radios are programmed to always attempt to 

rendezvous on lowest numbered channel not currently 

occupied by an incumbent

• Robustness issue

 – Transmitter/receiver may not both be able to sense 

presence of  incumbents due to differences in location, 

range, and sensing capabilities

PU

Channel 1

SU A

SUB

8/13/2019 Cognitive Networks Dasilva

http://slidepdf.com/reader/full/cognitive-networks-dasilva 13/24

10/ 05/ 2012

13

No Control  Channel 

• All channels {1, 2, …, N} potentially available for rendezvous

• Radios visit these channels in random or prescribed order, 

alternatively transmitting beacons and listening for responses 

until rendezvous is successful

 – Blind rendezvous

• Time to rendezvous (TTR) is one metric of  interest

 – Increases with N

Blind  Rendezvous Process

Sensemedi um

 Tr ansmi tbeacon

  Li st en

Sensemedi um

Sensemedi um

Radio A

Radio B

Radio C

Time Slot

Requestr endez-

vous

8/13/2019 Cognitive Networks Dasilva

http://slidepdf.com/reader/full/cognitive-networks-dasilva 14/24

10/ 05/ 2012

14

Random vs. Sequence‐based  Blind  Rendezvous

• Random: radios wanting to establish a link visit the N potential 

channels in random order

 – E[TTR] = N

 – Rendezvous is equally likely to happen in any of  the N 

channels

• Sequence‐based: radios follow a pre‐established sequence in 

visiting channels

 – Possible to construct a sequence that minimizes Max(TTR) 

or E[TTR] – Possible to provide deterministic guarantees

 – Prioritizes certain channels for rendezvous

Sequence‐based  Rendezvous Example

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

Permutation P(N)

Permutation P(N)

Permutation P(N)Permutation P(N)

… ……

)1(3

362][

24

+

−++=

 N  N 

 N  N  N TTR E 

A family of  sequences

L. DaSilva and I. Guerreiro,  “Sequence‐based Rendezvous 

for Dynamic Spectrum Access ,”  IEEE  DySPAN, 2008.

8/13/2019 Cognitive Networks Dasilva

http://slidepdf.com/reader/full/cognitive-networks-dasilva 15/24

10/ 05/ 2012

15

Sequence‐based  Rendezvous Example (cont’d)

N Sample sequence (one period) Max TTR E[TTR]

3   1 1 2 3 2 2 1 3 3 3 1 2 8 2.75

4   1 1 1 2 3 4 2 2 2 1 3 4 3 3 3 1 2 4 4 4 4 1 2 3 13 3.96

5   2 3 5 4 1 1 2 5 4 3 4 5 3 2 1 4 2 5 3 1 3 4 5 1 2 

3 4 2 5 1

11 4.23

Modular  Clock   Algorithm

•   Cryptography‐inspired

• τ = starting channel index

•   r = number of  channels radio 

“skips” in a time slot 

•   Guarantees that rendezvous 

will occur even if  radios sense 

different sets of  available 

channels (as long as sets are 

not disjoint)

N. Theis, R. W. Thomas, and L. A. DaSilva, “Rendezvous for 

Cognitive Radios ,”  IEEE  Trans. Mobile Computing, vol. 10, 

no. 2, Feb. 2011.

8/13/2019 Cognitive Networks Dasilva

http://slidepdf.com/reader/full/cognitive-networks-dasilva 16/24

10/ 05/ 2012

16

Link  Maintenance

• Even after successful rendezvous, the appearance of  an 

incumbent may require the link to be reestablished in an 

alternate channel

• Alternatives

 – Return to rendezvous phase

 – If  there is enough time, first radio to detect the incumbent 

informs the other of  new channel

 – Negotiate a fallback dictionary while the link is still active 

(prior to the appearance of  the incumbent)

Cognitive Medium  Access Control  (MAC)

• Arbitrates among CRs co‐existing in a shared/broadcast medium (similar to the traditional MAC function)

 – Competition and/or cooperation among CRs• Multi‐channel operation: opportunistic selection of  which 

channel to transmit on – Channel availability may vary temporally and spatially

• Interference constraints: a CR must vacate the medium when 

the PU becomes active

• Control information – In‐band – Out‐of ‐band (a control channel) – Hybrid: a base channel for control and data, with 

additional data‐only channels

8/13/2019 Cognitive Networks Dasilva

http://slidepdf.com/reader/full/cognitive-networks-dasilva 17/24

10/ 05/ 2012

17

Common Control  Channel 

• Channel availability information and handshake for 

opportunistic access can be exchanged over this channel

• Cognitive pilot channel 

 – Regulatory issues: What channel to dedicate for this? How 

is access managed?

 – The common control channel may vary spatially

• One transceiver may be tuned to the CCC at all times

A. De Domenico, E. Strinati, and M. Di Benedetto,  “A 

Survey on MAC Strategies for Cognitive Radio  Networks ,”  

IEEE  Comm. Surveys and  Tutorials, vol. 14, no. 1, 2012.

Split  Phase  Approach

• Channel 

reservation 

phase, 

followed 

by 

the 

transmission 

phase

 – Can be adopted with a single control channel, or on every 

channel

• Some portion of  the bandwidth is ‘wasted’ during the control 

phase

8/13/2019 Cognitive Networks Dasilva

http://slidepdf.com/reader/full/cognitive-networks-dasilva 18/24

10/ 05/ 2012

18

No Dedicated  Control  Channel 

• Rendezvous: radios that want to communicate select a 

channel (possibly using a pre‐defined sequence in which 

channels are visited) and then perform a handshake for 

channel reservation

• Hybrid approaches are possible

 – Control information exchanged on one channel, indicating 

what additional channels can be exploited in parallel 

(Carvalho, DaSilva, 2012)

Example 1: Cognitive MAC  (C ‐MAC)

• Rendezvous channel (RC) and a backup channel in case of  the 

appearance of  a PU

• Superframes: beacon period and data transfer period

• Beacon periods are slotted

 – SU periodically tunes to the RC and issues a beacon

 – Beaconing is used for synchronization, exchange of  

neighborhood topology information, establishment of  

communications in another channel

 – Superframe structure is then adopted in the new channel

C. Cordeiro and K. Challapali, “C‐MAC: A Cognitive MAC 

Protocol for Multi‐Channel Wireless Networks ,”  IEEE  

DySPAN, 2007.

8/13/2019 Cognitive Networks Dasilva

http://slidepdf.com/reader/full/cognitive-networks-dasilva 19/24

10/ 05/ 2012

19

C ‐MAC, cont’d 

•   Beacons carry traffic 

reservation information for 

current super‐frame

•   Load balancing possible

•   Scalability issues

•   Assumes all SUs will converge 

on the choice of  the same RC, 

which is not always possible 

Example 2: Stochastic  Multi ‐channel  Load  Balancing

• Probabilistic channel selection with multi‐channel exponential 

backoff 

• Radios maintain estimated probability of  appearance of  a PU 

within each of  the channels (pi)

• Channel selection algorithm

 – Radio initializes a counter for each channel w/ a randomly 

selected integer

 – In each slot, radio counts down for a channel w/ 

probability pi

 – First channel to count down to 0 is selected, triggering an 

RTS/CTS exchange on a common control channel

K. Ghaboosi, A. B. MacKenzie, L.A. DaSilva, A. S. Abdallah, and M. 

Latva‐aho, “A Channel Selection Mechanism Based on 

Incumbent Appearance Expectation for Cognitive Networks ,”  

IEEE  WCNC, 2009.

8/13/2019 Cognitive Networks Dasilva

http://slidepdf.com/reader/full/cognitive-networks-dasilva 20/24

10/ 05/ 2012

20

SMLB, cont’d 

Cognitive Networks and  Cross‐

Layer  Optimization

•   Cognitive network 

architectures pre‐suppose 

cross layer optimization

8/13/2019 Cognitive Networks Dasilva

http://slidepdf.com/reader/full/cognitive-networks-dasilva 21/24

8/13/2019 Cognitive Networks Dasilva

http://slidepdf.com/reader/full/cognitive-networks-dasilva 22/24

10/ 05/ 2012

22

Challenges

• Preserving modularity

 – Development of  APIs that enable reusability

 – Abstraction from underlying technology

• Information dissemination

 – Knowledge representation language

 – Context for interpretation of  this information at the 

different layers of  the protocol stack

 – Indication of  imprecision and uncertainty

• Complexity and scalability

Example 1: Fuzzy  Logic 

• Variables and parameters identified at each layer and 

represented using fuzzy variables

 – Fuzzification by the layer that exports the variable

 – Interpretation of  fuzzy information (“SNR is good”) 

requires less context 

 – Modularity is preserved

• All layers perform adaptations based on exported variables

• Example: link, routing, and transport layers characterized by 

reliability, congestion, bandwidth and delay

8/13/2019 Cognitive Networks Dasilva

http://slidepdf.com/reader/full/cognitive-networks-dasilva 23/24

10/ 05/ 2012

23

Example 1, cont’d 

N. Baldo and M. Zorzi, “Fuzzy Logic for Cross Layer Optimization 

in Cognitive Radio Networks ,”  IEEE  Communications Magazine, 

2008.

Example 2:  ARQ‐based 

• Network layer exports ACK/NACK information for each packet

• Decision variables

 – PHY: transmission power and modulation order for each 

subcarrier

 – MAC: frame size, min and max contention window size

 – NET: variable transmission range (controls number of  hops 

in the route), index of  AP to associate with (assumes 

multiple APs within range)

• Multi‐objective function: weighted sum (min power 

consumption, max throughput, min bit/packet error rate, min 

transmission delay)

• Approach: genetic algorithm

8/13/2019 Cognitive Networks Dasilva

http://slidepdf.com/reader/full/cognitive-networks-dasilva 24/24

10/ 05/ 2012

Example 2, cont’d 

A. De Baynast et al., “ARQ ‐based Cross Layer Optimization for 

Wireless Multicarrier Transmission on Cognitive Radio 

Networks ,”  Computer  Networks, 2008.

•   It’s important to consider cognitive radios 

not only from a single‐link perspective but in 

the context of  a broader network

•   Opportunistic channel selection and 

rendezvous are elements of  a cognitive radio 

medium access scheme

•   The control channel (fixed, dynamic, 

exclusive or shared with data traffic) plays an 

important role in the design of  cognitive 

MACs

•   Gradually, cognitive network research is 

starting to take into account decision making 

at layers 3 and above