Date of Award

4-2022

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy (PhD)

Department

Electrical and Communication Engineering

First Advisor

Dr. Nabil Bastaki

Second Advisor

Dr. Atef Abdrabou

Abstract

As the Cognitive Radio (CR) overwhelms spectrum deficiency, it offers a substantial communication environment to accommodate IoT devices demanding connectivity and prompt arrival of their sensed data. The perceived shortage in CR routing protocols concerning delay and energy consumption promotes the novel proposal of two multi-hop routing protocols; Efficient Routing protocol for Cognitive Radio (ERCR) networks and Efficient Hybrid Routing protocol for Cognitive Radio (EHRCR) networks. A proposal for a D/M/1/K queuing model adapted to be applied in a CR network (CRN) is investigated with a retrial service system over a single licensed channel. The analytical model of the adapted D/M/1/K helps make predictions about the network behavior of the proposed protocols and adjust parameters to maintain the required network performance. The efficiency of the proposed model is verified through a simulation that results in a perfect match with the analytical results. The location-based ERCR establishes straight-line routes of sufficient residual-energy nodes to achieve the upper bound of the per-node capacity, a high data-transfer throughput, a prolonged network lifetime, and a low routing overhead. This, in turn, reduces the end-to-end latency and balances the energy consumption among nodes. Delay-sensitive applications could utilize the ERCR protocol to run with a maximum end-to-end delay of 200 ms under a PU activity probability of 0.3 and an average duration of 30 ms. To expand application applicability, the versatile EHRCR constructs routes based on node energy consumption and delay (queuing, transmission, and service) with the consideration of reducing the propagation delay. Different weights for energy and delay costs are examined to demonstrate energy, balanced, and delay scenarios. The results report the suitability of the delay scheme to serve delaysensitive applications in the existence of 50% licensed-user activity with a delay that does not exceed 200 ms. Delay-tolerant applications can get the advantage of the energy scheme with maximum energy consumption that reaches 30% of the initial node energy at licensed user activity that reaches 40%. Furthermore, the EHRCR can hit an energy-delay balance to suit battery-powered and outlet-powered IoT devices with the different delay-sensitivity levels of the running applications.

Arabic Abstract


بروتوكولات التوجيه الفعالة لشبكات الراديو المعرفية للأجهزة مقيدة الطاقة ومستويات غير متشابهة من الحساسية للتأخير

بما أن الراديو المعرفي (CR) يعوض النقص في الطيف، فهو يوفر بيئة اتصال هامة يمكنها استيعاب العديد من أجهزة IoT التي تتطلب الاتصال والوصول الفوري لبياناتها المستشعرة. أدى النقص الملحوظ في بروتوكولا ت التوجيه الخاصة بـCR والمتعلقة بالتأخير واستهلاك الطاقة إلى اقتراح جديد لبروتوكولي توجيه متعد دي القفزات: بروتوكول التوجيه الفعال لشبكات الراديو المعرفي (ERCR) وبروتوكول التوجيه الهجين الفعال لشبكات الراديو المعرفي (EHRCR). تم اقتراح ودراسة قوائم انتظار D/M/1/K التي تم تعديلها للتطبيق في شبكات CR بوجود نظام خدمة متعدد المحاولات باستخدام قناة مرخصة واحدة. النموذج التحليلي لـ D/M/1/K المعدل يساهم في تخمين سلوك الشبكة الخاصة بالبروتوكولين المقترحين وضبط العوامل للحفاظ على أداء الشبكة. تم التحقق من كفاءة النموذج المقترح عن طريق المحاكاة التي أظهرت تطابق مثالي مع النتائج التحليلية. البروتوكول ERCR القائم على مواقع العقد يقوم ببناء مسارات مستقيمة تشمل عقد تمتلك كمية كافية من الطاقة المتبقية وذلك لبلوغ الحد الأعلى للسعة لكل عقدة، وزياة إنتاجية نقل البيانات، وإطالة عمر الشبكة، وتقليل المتطلبات التشغيلية. هذا بدوره يقلل زمن الوصول من طرف إلى طرف، ويوازن استهلاك الطاقة بين العقد. يمكن للتطبيقات الحساسة للتأخيرأن تستخدم ERCR لتعمل بزمن وصول من طرف إلى طرف أقل من 200 ms بوجود احتمالية لنشاط المستخدم الرئيسي تصل إلى 0.3 وبمدة نشاط تصل إلى 30 ms. لتوسيع نطاق التطبيقات، يقوم EHRCR متعدد الجوانب والاستعمالات ببناء مسارات تعتمد على الطاقة المستهلكة للعقد ومدة التأخير (الناتج عن الانتظار، والخدمة، والانتقال إلى الوسط)، مع الأخذ بعين الاعتبار تقليل تأخير الانتشار. تم فحص أوزان مختلفة لتكاليف الطاقة والتأخير لتمثيل عدة سيناريوهات تعكس سيناريو طاقة، وسيناريو تأخير، وسيناريو متوازن من الطاقة والتأخير. تظهر نتائجها ملاءمة سيناريو التأخير لخدمة التطبيقات الحساسة للتأخير بالحصول على مدة تأخير لنقل الحزم لا تتعدى 200 ms برغم وجود نشاط للمستخدم المرخص تصل إلى 50% من الوقت. بإمكان التطبيقات التي تتحمل التأخير الاستفادة من سيناريو الطاقة باستهلاك طاقة يصل إلى 30% على الأكثر من الطاقة الابتدائية للعقدة أثناء نسبة نشاط عالية للمستخدم المرخص تصل إلى 40%. بالإضافة إلى ذلك، يستطيع EHRCR أن يوازن بين التأخير واستهلاك الطاقة ليلائم أجهزة إنترنت الأشياء التي تعمل بالبطارية والتي تعمل بالطاقة الكهربائية مع وجود مستويات مختلفة لحساسية التأخير للتطبيقات قيد التشغيل.

Download

Share

COinS