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See discussions, stats, and author proﬁles for this publication at: https://www .researchgate.net/publication/283090313 Signaling and QoS control in resilient cognitive radio networks Conference Paper · July 2015 DOI: 10.1109/NOTERE.2015.7293451 CITA TION 1 READS 74 4 authors, including: Some of the authors of this publication are also working on these related projects: Mobilité des utilisateurs dans les réseaux IP View project EWER project View project Dramane Ouattara Université Bordeaux 1 13 PUBLICA TIONS 43 CITA TIONS SEE PROFILE Mohamed Aymen Chalouf Université de Rennes 1 34 PUBLICA TIONS 83 CITA TIONS SEE PROFILE Francine Krief Laboratoire Bordelais de Recherche en Informatique 171 PUBLICA TIONS 513 CITA TIONS SEE PROFILE All content following this page was uploaded by Dramane Ouattara on 23 October 2015. The user has requested enhancement of the downloaded ﬁle. Signaling and QoS control in resilient Cognitive Radio Networks Dramane Ouattara*, Univ. Bordeaux LaBRI - Talence, France dramane.ouattara@labri.fr Mohamed Aymen Chalouf, Univ. Rennes 1 IRISA - Lannion, France mohamed-aymen.chalouf@irisa.fr Martin Peres, Univ. Bordeaux LaBRI - Talence, France martin.peres@labri.fr Francine Krief, Univ. Bordeaux, IPB LaBRI - Talence, France francine.krief@labri.fr Abstract— Cognitive radio networks aim to allow nodes to be aware of their radio environment. Therefore, cognitive radio equipment can select the best frequency band and modulation to communicate with any surrounding node. This enables efficient spectrum sharing and the transmission parameters optimization according to the needed quality of service. In this article, we firstly present a physical layer signaling protocol that allows cognitive radio nodes to discover their neighbors in a transparent manner, by sharing their frequency hopping sequences. This protocol allows discovering a new node in less than a second and at low cost, under realistic scenarios, using a Software Defined Radio (SDR). Then we present a MAC layer signaling protocol which is based on an improved of the RTS/CTS handshake mechanism, defined in the IEEE 802.11 standard. This signaling mechanism enables the cognitive radio nodes to negotiate spectrum allocation and to select the best modulation for a transmission. We finally associate to this protocol, a transmission parameters (which have an impact on QoS) control function. Our proposal therefore improves wireless nodes capabilities in order to define a resilient network capable of providing and maintaining a certain level of QoS. Keywords—Cognitive Radio networks, Signaling protocol, QoS, MPC. I. INTRODUCTION Dans les réseaux radio cognitive, le partage des bandes de fréquence, tout en garantissant un niveau de performances acceptable, constitue l'opération la plus complexe après le sondage du spectre. En effet, l'instabilité dans l'occupation des canaux, introduite par le caractère opportuniste de ces réseaux, favorise des délais liés au processus de découverte nécessaire entre les nœuds pour communiquer. Aussi, le principe de fonctionnement de la radio cognitive impose des actions de resynchronisation récurrentes. La signalisation dans les réseaux radio cognitive est alors confrontée à des contraintes supplémentaires telles que la disponibilité des canaux et celle des nœuds-pairs sur lesdites fréquences pour échanger les informations de coordination. Dans cet article, nous présentons un protocole de signalisation de niveau PHY/MAC, qui implémente un mécanisme de découverte des nœuds-pairs et qui décrit le schéma de synchronisation nécessaire à l'initiation d'une communication. La particularité de ce protocole, réside d'une part, dans les efforts de réduction des délais mis en œuvre principalement pour la fonction de découverte et, d'autre part, dans sa sensibilité aux paramètres de communication pour garantir un niveau de performan1ce acceptable. A cet effet, un modèle de contrôle en temps réel des paramètres de transmission lui est associé. Ce modèle, basé sur MPC (Model Predictive Control), permet au nœud de contrôler les métriques liées à la qualité de service (QoS) et de prendre les décisions appropriées. Dans la suite de cet article, nous résumons, à la section II, un état de l'art sur la signalisation dans les réseaux radio cognitive. A la section III, nous présentons notre approche de signalisation dans les réseaux radio cognitive. Nous montrons ensuite, dans la section IV, les échanges introduits par les contraintes de QoS et les besoins de réorganisation, de reconfiguration et de synchronisation nécessaires. Enfin, nous présentons, à la section V, un exemple de modélisation basée sur MPC et permettant un contrôle- signalisation orienté performances (QoS). II. ETAT DE L’ART A. Signalisation dans les réseaux radio cognitive La forme la plus simple des réseaux radio cognitive utilise un canal de contrôle commun (CCC: Common Control Channel) pour initier les communications et échanger des informations de détection [1] [2]. Cette technique présente quelques difficultés [3], mais son inconvénient majeur est qu’elle n’est pas adaptée aux réseaux ad-hoc multi-sauts. En l’absence d’un CCC, les transmissions peuvent utiliser n’importe quelle bande du spectre radio fréquence (RF). Ainsi, pour communiquer, deux émetteurs-récepteurs doivent d’abord se retrouver. La technique de «rendez-vous aveugle» [4] existante, permet de se retrouver lorsque les deux nœuds ont un canal disponible en commun. Les nœuds voulant se retrouver doivent se mettre d’accord sur une liste de canaux et suivre la séquence de sauts fournie par l’algorithme. Ceci est difficile à appliquer avec la radio logicielle car chaque nœud radio cognitive peut avoir une liste différente de bandes disponibles. Dans [5], le protocole MAC proposé se base sur un mécanisme de rendez-vous décentralisé et sans CCC. Cette approche suppose que les nœuds connaissent déjà leurs voisins et partagent avec eux une liste de canaux. B. Qualité de service dans les réseaux radio cognitive Par définition, la radio cognitive est l’utilisation opportuniste du spectre RF par des nœuds non licenciés. Ainsi, on peut dire qu’il n’y a aucune garantie en matière d’accès au spectre, et encore moins en matière de qualité de transmission. Dans [6], un algorithme d’ordonnancement coopératif a été proposé. Cet algorithme permet aux nœuds radio cognitive de sélectionner un chemin de relais avec la plus faible probabilité de perte de paquets. Ensuite, un mécanisme de * Corresponding author contrôle d’admission respectant cette contrainte a été proposé. Les résultats des analyses et des simulations confirment que le passage par certains nœuds relais permet de garantir une meilleure QoS (taux de perte de paquets) qu’en cas de transmissions directes. Dans [7], le problème de l’allocation de canaux pour des utilisateurs radio cognitive de manière à satisfaire leurs besoins en QoS a été traité. Dans un réseau radio cognitive où la station de base ne connaît pas les états de tous les utilisateurs et où les disponibilités des canaux sont aléatoires, un algorithme d’ordonnancement basé sur le fractionnement opportuniste a été proposé. Cet algorithme permet d'optimiser le débit ou le délai. Au problème de disponibilité des canaux qui affecte la QoS dans les réseaux radio cognitive, s'ajoute les questions de synchronisation, de coordination entre les nœuds. Le protocole de signalisation utilisé devra donc être efficace afin de réduire les délais. III. SIGNALISATION DANS LES RÉSEAUX RÉSILIENTS RADIO COGNITIVE Le mécanisme de signalisation, que nous détaillons dans les sections A et B, s'appuie sur les couches PHY et MAC. A. Protocole de niveau physique proposé Le but de notre protocole de signalisation de niveau physique est de permettre aux nœuds radio cognitive de se retrouver (Rendez-vous) et de savoir quand et comment se contacter par la suite, même en cas de changement inattendu de bande de fréquences. Pour cela, les nœuds radio cognitive doivent avoir au moins une partie de leur pattern de sauts de fréquence prévisible. Comme les nœuds radio cognitive peuvent être disponibles sur un nombre limité de bandes sans augmenter considérablement la latence maximale pour communiquer avec eux, la publication du pattern de sauts est possible sans créer une trame de balise très large. Une fois la trame contenant le pattern et la position actuelle dans le pattern d'un nœud radio cognitive envoyée, les nœuds qui la reçoivent peuvent prédire quand et sur quelle bande ils peuvent communiquer. Un exemple de balise au format ASCII est présenté ci-dessous: <beacon_frame> (node_id=24, tx_pwr=10, [{ {band1}, length=0.3, period_offset=0.0 }, { {band2}, length=0.4, period_offset=0.5 }, { {band3}, length=0.4, period_offset=0.5 } ], Period=1000, cur_period_offset=0.195 }) Dans cet exemple, la balise, envoyée par le nœud 24, indique que ce nœud est disponible sur trois bandes. Au début du cycle de sauts, il est disponible sur la bande 1 durant 300 ms (0,3 x 1000 ms). 500 ms plus tard, il sera disponible à la fois sur les bandes 2 et 3 pendant 400 ms (0,4 x 1000 ms). Le nœud 24 est actuellement à 195 ms (0.195 x 1000 ms) dans son cycle de sauts, ce qui signifie qu’il ne sera plus disponible sur la bande 1 dans 105 ms (300 ms – 195 ms). Deux emplacements, respectivement de 200 ms (300 ms à 500 ms) et de 100 ms (900 ms à 1000 ms), ne sont actuellement pas alloués dans la balise. Ceci permet à la radio, de se mettre en sommeil. Cette balise a été envoyée à 10 dBm, ce qui permet au récepteur de la comparer à la puissance reçue pour évaluer l'affaiblissement de propagation du signal. Principe de fonctionnement Une fois que les bandes de fréquences disponibles sont trouvées, le nœud radio cognitive envoie sa balise sur une uploads/Management/ signaling-and-qos-control-in-resilient-cognitive-radio-networks-notere-cfip.pdf