基于频谱消耗模型的COSMOS DSA实验框架

77基于频谱消耗模型的COSMOS DSA实验框架DragoslavStojadinovicPrasadNetalkarstojadin@winlab.rutgers.edupnetalka@winlab.rutgers.edu美国新泽西州北布伦瑞克罗格斯大学WINLAB卡洛斯·E凯塞多·巴斯蒂达斯ccaicedo@syr.eduSyracuse University锡拉丘兹，纽约州，美国伊戈尔·卡多塔igor. columbia.edu哥伦比亚大学美国摘要吉尔·祖斯曼gil. columbia.edu美国纽约州纽约市哥伦比亚大学伊万·塞斯卡尔·迪潘卡尔·雷乔杜里seskar@winlab.rutgers.eduray@winlab.rutgers.edu美国新泽西州北布伦瑞克罗格斯大学WINLAB无线传输特性（即，频谱掩模，本文介绍了一个无线实验框架，研究动态频谱接入机制和实验，展示其功能。该框架建立在COSMOS之上，COSMOS是一种先进的无线测试平台，旨在支持下一代无线技术和应用的实际实验。我们部署的框架支持大量无线网络上的实验，具有基于PUB的网络交互结构，基于DARPA为频谱协作挑战（SC2）开发的协作智能无线电网络（CIRN）交互语言（CIL）。 因此，它能够实现网络之间的交互和消息交换，以协调频谱使用。对于我们的实验，消息交换主要针对但不限于频谱消耗模型（SCM）消息。RF设备/系统使用SCM消息，其中包含有关其两位作者对本研究的贡献是相等的。允许免费制作本作品的全部或部分的数字或硬拷贝，以供个人或课堂使用，前提是制作或分发副本的目的不是为了盈利或商业利益，并且副本的第一页上有本声明和完整的引用必须尊重作者以外的其他人拥有的本作品组件的版权。允许使用学分进行摘要以其他方式复制、重新发布、在服务器上发布或重新分发到列表中，需要事先获得特定许可和/或付费。 请求权限请发邮件至permissions@acm.org。WiNTECH©2022版权归所有者/作者所有。 授权给ACM的出版权。ACM ISBN 978-1-4503-8703-3/22/01。. . 15美元https://doi.org/10.1145/3477086.3480836频率、带宽、功率和位置），以确定它们与现有发射机和接收机的操作兼容性（不干扰），并动态地确定它们自己的传输的频谱使用特性CCS概念• 网络→网络架构;网络实验;·硬件→无线设备。关键词动态频谱接入，频谱消耗模型，GNU Radio，无线实验，开放接入无线测试平台ACM参考格式：放大图片作者：Dragoslav Stojadinovic，Prasad Netalkar，CarlosE.凯塞多·巴斯蒂达斯，伊戈尔·卡多塔，吉尔·祖斯曼，伊万·塞斯卡，迪潘卡尔·雷乔胡里. 2022.基于频谱消耗模型的COSMOS测试平台DSA实验框架。在第15届ACM无线网络测试床研讨会上，实验评估&Characterization（WiNTECH '21），2022年1月31日至2月4日，美国路易斯安那州新奥尔良。ACM，美国纽约州纽约市，8页。https://doi.org/10.1145/3477086.34808361介绍几十年来，频谱稀缺一直是一个众所周知且日益严重的问题，并激励全球各地的研究人员不断创新并找到提高频谱使用效率的方法。多年来，研究的重点是提高给定带宽的可实现数据速率然而，随着无线协议数量的增加，78WiNTECH焦点已经转移到开发能够使多个异构无线网络共存于同一频谱中的方法。最近，已经注意到关于由这样的异构无线网络接入共享频谱所描述的研究重点的转变从最近的竞赛和研究倡议中显而易见，这些竞赛和研究倡议是为了支持科学界努力开发协调和同步频谱接入的有效方法而组织的。2016年，DARPA启动了频谱协作挑战（SC2），该挑战让多个团队参与，每个团队都有自己的无线网络，相互交互共同目标是提高综合吞吐量。鼓励竞争对手网络使用人工智能（AI）方法来构建智能网络，这些网络能够适应其频谱行为。 这些网络被称为协作智能无线电网络（CIRN），DARPA 开 发 的 交 互 语 言 被 命 名 为 CIRN 交 互 语 言（CIL）。本着竞赛的精神，DARPA和所有参赛团队也合作开发了语言本身。在其最简单的形式中，CIL为网络提供信息交换功能，并支持各种类型的消息[14]。最近，美国国家科学基金会（NSF）启动了频谱创新计划（SII）。该倡议的目标是建立一个与动态和敏捷频谱利用相关的研究生态系统。 作为我们努力解决该倡议所确定的挑战的一部分，我们建立了一个框架，该框架支持并促进对协作无线网络之间频谱资源的协调使用的架构和机制的实验和研究。 该框架建立在COSMOS [3，10]上，COSMOS是一种先进的无线测试平台，旨在支持下一代无线技术和应用的真实实验。为了展示该框架的能力，我们还设计并进行了一个实验，其中框架组件用于允许三个不同的无线网络通过交换携带频谱消耗模型（SCM）的消息来协调它们的频谱使用。SCM描述每个网络中的设备的频谱使用的特性和边界，并且促进每个网络的频谱资源的自主和动态选择，以便在每个网络的设备之间建立无干扰的通信链路。这种SCM的使用在民用通信环境中尚属首次为了描述动态频谱接入（DSA）的研究框架和实验，本文的其余部分组织如下：第二部分简要描述了动态频谱接入和共享机制的实现的相关工作。第3节提供介绍SCM。第4节描述了我们的框架和实验的频谱管理架构第5节描述了几个框架组件的设计和实现，包括我们的实验SCM的生成方式，在我们的实验和我们的实验结果中使用的基础设施的描述。第6节为未来的实验提供了一些方向，第7节总结了论文。2相关工作在几十年的过程中，随着各种无线通信协议的出现，长期以来人们已经认识到，使用这些协议的异构网络最终将竞争无线频谱。因此，越来越多的努力集中在改善相同频谱中的异构网络的共存的方式上，其中一些使用协作方法和用于网络的附加协议来协调它们的频谱使用。事实上，DARPA 在[6，8，11，14，16]中讨论了几个类似的想法。频谱共享已经被广泛研究了十多年，最近，人们对LTE和WiFi的共存特别感兴趣。接下来，我们介绍一些相关的工作。[7]中描述的工作提出了一种用于在使用不同无线协议操作的独立网络该机会主义协议包括一个中央认知无线电（CR）终端，其分配频谱旨在建立基于数据流的公平性。在[5]中，提出了一个简单的消息交换协议（在许多方面类似于CIL）该消息交换协议被称为公共频谱协调信道，在单独的窄频带中操作，以允许网络交换简单的消息来宣布它们的频谱使用。 其性能的评价是基于ns-2模拟。 [15]中的工作显示了一种基于语义的算法，该算法使用FFT分析和具有语义推理的能量检测来确定用于传输的可用频带。本文的一个独特 之处在于，它包括了使用OpenAirInterface（OAI）的算法的真实实现。另一种语义方法见[2]。在[12]中考虑了5G中的频谱协调，其中作者介绍了一种用于频谱接入的基于虚拟货币的非合作协商协议大量的研究工作旨在实现异构网络在相同频段的共存，需要注意的是，大部分工作都是理论性的，偶尔有仿真支持（通常在MATLAB或网络仿真框架中79基于SCM的DSA实验框架COSMOS WiNTECH'21，2022年1月31日至2月4日例如ns-3），很少有科学论文使用实际实施来评估其发现本文的部分目的是填补这一空白。 我们在COSMOS测试床[3，10]上建立了一个无线实验框架，用于研究动态频谱接入。然后，我们实现了一个基于CIL的协调协议，该协议是DARPA SC2期间已经成功用于频谱接入协调的协议的一个主要示例，在我们的情况下，该协议用于交换SCM消息以实现频谱资源使用协调。3频谱消耗模型SCM提供了一种信息模型，该模型可以捕获RF系统使用频谱的边界，使得它们的兼容性（即，非干扰）可以通过有效和标准化的计算方法来仲裁[1，4，13]。SCM中捕获的信息允许有效地确定聚合干扰电平和许多设备之间的用于建模频谱消耗的IEEE 1900.5.2标准[4]规定了SCM的11个结构：(1) 参考功率：该值为发射机的发射或接收机中允许的干扰它被用作几个其他SCM结构的参考功率值（即，频谱掩模、频谱掩模和功率图）。(2) 频谱掩模：定义发射的相对频谱功率密度的数据结构。(3) 底层屏蔽：定义允许干扰的相对频谱功率密度的数据结构。(4) 功率图：定义每个立体角的相对功率通量密度的数据结构。(5) 传播图：定义每个立体角的路径损耗模型的数据结构(6) 互调屏蔽：定义共址信号如何在发射机或接收机中生成互调产物的数据结构。(7) 平台名称：归属于特定站点的平台名称或名称列表船舶、飞机等）。它们在识别多个系统何时共处一地时是有用的。(8) 时间表：指定模型应用时间（开始时间、结束时间）的构造。也可以定义定期活动。(9) 位置：可能使用射频设备的位置。支持几种类型的位置和轨迹/轨道描述(10) 最小功率谱通量密度：当用作发射机的一部分时，模型，意味着系统中的接收器受到保护的地理范围。(11) 策略或协议：一种命名的协议或策略，带有定义设备或系统支持的行为的参数，允许不同的系统位于同一位置并在同一频谱中共存。图1：频谱消耗模型（SCM）类型这些结构可用于构建遵循如图1所示的聚合层次结构的不同类型的SCM。 值得注意的是，根据模型的类型及其用途，并不是所有的构造都是必需的。图1显示了IEEE1900.5.2标准[4]中定义发射机模型捕获有源无线电设备的RF发射的范围，包括但不限于：频谱发射掩模、传播图、天线辐射模式、设备的可能位置和操作时间接收器模型传达什么是对RF设备的有害干扰，提供对发射器设备在时间、空间和频谱维度上可能对接收器造成的聚合干扰的限制。 系统模型是发射机和接收机模型的集合，它们共同捕获RF系统的频谱使用。SCM集是系统、发射机和接收机SCM的集合。SCM集合可用于构造描述可供使用的频谱的列表（频谱授权集合）、识别对频谱使用的约束（频谱约束集合）以及列出由一组系统和设备消耗（使用）的频谱（集体消耗集合）除了SCM结构的定义外，IEEE 1900.5.2标准还规定了一种计算设备和/或系统之间频谱使用兼容性的方法，这些设备和/或系统通过SCM表达了它们的频谱使用边界[1，4]。取决于要评估兼容性的设备的位置，并且如果在它们的频谱使用操作中存在重叠（在时间和频率上），则由它们的SCM传达的与发射机频谱掩码、接收机频谱掩码、参考功率、功率图和传播图以及其他构造有关的信息确定链路预算计算的细节。在单个发射机-接收机对的情况下，如果80WiNTECH确定来自发射机的RF信号功率低于接收机模型中指定的干扰限制值，则确定该对兼容（即，它们可以共享频谱）。这种计算可以扩展到多个发射机和接收机对，利用SCM中的信息来计算聚合干扰值。还可以考虑其他频谱使用特性，例如互调和跳频行为关于更多的细节，我们请读者参考[4]。接下来，我们讨论的架构，采用SCM，使多个无线网络之间的频谱共享。4动态频谱管理图2所示的频谱管理架构由四个功能平面组成：• 基于云的频谱服务平面，• 无线域控制平面，• 无线数据平面，以及• 监控和测量平面。数据平面上的传感器、无线电设备和网络由控制平面中的无线域（WD）控制器表示。特别地，WD控制器可以表示在单个管理域中操作的一个或多个无线网络。来自每个无线网络中的各个RF设备的SCM在相应的WD控制器处聚合。WD控制平面在很大程度上基于DARPA 除了由控制平面实现的SCM交换的对等之外，还引入了基于云的频谱服务层以适应分层控制，其具有涉及复杂AI/ML算法的集中式优化的益处。云服务层提供WD可以订阅的频谱管理、监视和市场能力。数据，图2：分散式频谱管理架构概述控制和云服务平面还由独立的频谱监视基础设施支持，监测平面收集并聚集传感器数据，然后将传感器数据向上传递到云层中的频谱分析服务以进行进一步处理。云中的分析/监视应用使用以信息为中心的PUB/PUB技术将该信息传播到WD控制器。域控制器和无线电节点之间的CIL协议支持如下所列的几种类型的消息。有关方案交换的更多详细信息，请参见第5节。(1) Register（）：由WD生成，用于向协作服务器/系统注册(2) Inform（）：通知新加入的对等体有关现有对等体的(3) Notify（）：通知现有对等体新加入的对等体(4) SCM Request（）：从对等体请求SCM的消息(5) SCM（）：向请求者发送SCM的消息(6) CT Report（）：向对等体发送兼容性测试报告(7) Calibrate Radios（校准无线电）：用于校准SDR（具有相应增益、频率、调制等）的消息(8) Leave（）：由WD生成，用于退出系统5框架与实验设计与实现我们的动态频谱接入交互实验框架建立在COSMOS无线测试平台之上[3，10]。如前所述，该框架旨在使无线网络能够交换消息，以便协调和同步它们的频谱接入，它还便于执行确定可用频谱资源所需的计算，并避免与存在于相同频谱中的其他网络的干扰事件我们框架的网络交互语言是建立在DARPA的CIL实现之上的CIL最初被设计为PUB-B消息队列系统，具有几种类型的广播消息，所有网络图3：网络交互语言概述。网络的域控制器可以通过独立的带外链路与其他网络的域控制器交换消息81−基于SCM的DSA实验框架COSMOS WiNTECH'21，2022年1月31日至2月4日发射机模型是：参考功率、频谱屏蔽、功率图、传播图、调度和位置。 对于接收机，不需要频谱掩模，但需要频谱掩模。在我们的实验中，我们使用一组NI USRP作为发射器，另一组作为接收器。每个发射器和接收器的时间表和位置都是众所周知的。为简单起见，所有传输均使用BPSK调制，信道带宽为1 MHz。关于器件表征及其SCM处理的更多详细信息，请参见以下小节。5.1.1发射机表征。 为了表征图4：网络交互语言协议细节，显示了无线网络加入、与其他网络交互以及离开域时交换的消息类型。能够接收它们。为我们的实验开发的新交互语言引入了几个适应和改进。图3显示了该语言的设计示意图与CIL类似，每个网络都有一个指定的节点，即WD控制器，它可以使用交互语言与其他网络的WD进行通信为了保持消息队列服务的高性能和效率 然而，消息类型被修改以适应更新的频谱使用描述标准。网络现在能够交换SCM消息，其提供频谱使用的标准化和详细描述[1]。通过使用基于SCM的消息获得的另一个优点，除了消息提供的细节水平之外，是它们所基于的标准还包括用于确定不同发射机或接收机之间的频谱兼容性所该框架大量使用这些计算。兼容性计算作为交互语言的一个组成部分首先，随着每个新网络加入框架，交互服务器执行兼容性计算，并且仅将其SCM信息发送到相同干扰域中的网络。此外，网络本身可以调用任何一对节点的兼容性计算，并使用所获得的信息来确定用于其传输的最佳频带。图4显示了交互语言所使用的协议的细节。5.1SCM生成和处理我们的WD控制平面中的交互将依赖于SCM消息的交换，该SCM消息表征每个WD的发送器和接收器所需的构造，和构建发射机（Tx）USRP的SCM时，我们首先获得功率谱密度（PSD）图，这将有助于我们构建设备的频谱掩模。 这通过将Tx增益设置为10dB、分辨率带宽设置为100KHz或更低以及幅度设置为500 mV来执行。接收到的样本在远程接收器（Rx）设置处被捕获，以在与Tx相同的中心频率下操作，并且报告Tx和Rx接下来，我们改变Tx处的幅度值，以了解其转换为辐射功率的效果。设备之间的间隔距离应始终至少为1米。最后，我们再次重复相同的实验，但使用不同的接收器，并报告Tx和Rx之间的在位于不同距离处的接收器处捕获Tx的辐射功率提供了详细说明SCM中所需的传播图构造的细节。5.1.2接收器表征。为了表征接收器USRP，确定其反射掩模的形状是关键。 为此，我们将Tx幅度固定为500 mV，Rx和Tx增益固定为10 dB，接收器处的中心频率固定为2GHz。从Tx，发送BPSK调制信号，同时改变，ING中心频率和捕获PSD图像和SNR值在接收器的每个频率值。传输的中心频率从1997 MHz到2003 MHz以200 KHz的步长变化。接下来，我们收集数据以确定接收器上的允许干扰，将图5视为示例拓扑。从Tx1，我们发送一个BPSK调制信号，中心频率为2 GHz，增益为10 dB。在接收器处，我们确保可以解调Tx1继续与之前相同的设置，当Tx1仍然在发送时，Tx2被开启并且发送具有2GHz的中心频率的QPSK调制信号（干扰信号）初始Tx2增益应该是10dB，并且稍后我们改变Tx2的增益，直到我们达到我们将称之为Rx 1的值，其中��� Tx2���的增益变为0。5dB），Rx1将能够解调Tx1传输中的一些当Tx2以增益Vref工作且Tx1开启时，我们报告Vref的值并在Rx1上生成信号捕获最后82WiNTECH表1：实验设置参数值中心频率2.0 GHz频道数量3带宽1 MHz调制BPSK比特率0.5MGnuradiov3.7USRPx310和b210图5：用于接收器表征的拓扑我们还确定了考虑1999.6MHz的位移频率时接收机上的可用干扰 使用该频率重复上述过程，并捕获信号的值���。5.1.3兼容性计算。在我们的表征过程之后获得的发射器频谱掩模和接收器频谱掩模的结构的概述如图6所示。使用包含在SCM中的数据，执行计算以确定界限，该界限指定发射机的频谱掩模可以被调整到兼容性阈值（即，不干扰）与接收机的干扰屏蔽 该计算被称为功率裕度计算，并且其结果可以用于评估如何利用频谱重用和/或共享机会。在IEEE1900.5.2标准中规定了两种类型的功率裕度计算：（i）最大功率密度和（ii）总功率。最大功率密度法确定发射机频谱屏蔽的最大功率谱密度（在传播和天线增益之后）是否超过接收机总功率方法使用干扰屏蔽来确定从发射机进入接收机的总功率，并检查其是否小于某个阈值，否则该阈值将被表征为不可接受的干扰。我们在实验中使用了总功率法。图6：发射机频谱掩码和接收机底层掩码5.2COSMOS中的DSA实验本小节描述了一个实验，旨在演示所开发框架的功能在实验中，有三个无线网络的发射机和接收机附近的本地区域。目标是网络动态地配置其无线传输特性，在这种情况下，配置其操作的中心频率，使得在不同网络的设备之间没有有害的干扰。每个网络只包含一个发射机和一个接收机。 发射机和接收机使用NI USRP X310和B210器件实现，而在控制平面上，WD控制器在单独的节点上运行，CIL消息交换通过WD控制器节点之间的带外链路进行。此外，所有发射机都使用相同的频谱掩码，并尝试使用1MHz宽的信道进行传输充当频谱传感器/监视器并用于可视化的无线电节点以10 Msps对捕获的信号进行采样。网络的决策逻辑（是否发送以及使用哪个频率和功率）被实现为WD节点的一部分，并且GNU Radio脚本被用于实现物理层功能，包括打包和USRP空中传输。(a) 一个TX（b）两个TX（c）三个TX图7：显示第一、第二和第三个网络开始运行时频谱占用情况的图片或可视化这个实验展示了一个简单的场景。在开始时，频谱中没有网络在时间���T1，网络1加入，并且由于整个频谱可用，所以可以自由选择任何信道。选择以2 GHz为中心的1 MHz通道。图7a示出了83基于SCM的DSA实验框架COSMOS WiNTECH'21，2022年1月31日至2月4日GNU无线电频谱或可视化的频谱只有一个单一的发射机。在此之后，在时间t2，网络2加入域。其默认频率设置为2 GHz，与Network 1使用的中心频率互动平台-测量服务器（区域拓扑管理器）确定网络在相同的无线冲突域中，并且通知网络1对等体现在存在。 网络1和2建立如图8a所示的对等关系，并立即交换它们的SCM。在执行兼容性检查之后，其结果如图8b所示，网络2确定其不能使用预期频率，并找到替代的最佳中心频率–类似地，在时间1003，网络3加入，区域拓扑管理器的帮助建立与网络1和2的连接，并且在交换一组SCM消息并执行其频谱兼容性计算之后，确定要使用的最佳中心频率是2001MHz。图7c示出了处于三个正交中心频率的所有三个图8c示出了无线域3（WD 3）处的控制器节点必须处理以执行定位中心频率所必需的兼容性测试的SCM信息的概要，在该中心频率处，其发送器（Tx3）可以操作而不对环境中已经存在的接收器造成干扰，并且其接收器（Rx3）也可以操作而不受现有发送器的干扰。图9显示了实验的方案-网络及其WD、所用USRP的节点ID和已建立的交互链接。图10显示了COSMOS沙箱中使用的USRP节点的物理拓扑，以及Sensor节点（用于GNU Radio Focal或可视化）的位置。它还提供了房间中柱子的位置，这些柱子是由混凝土和金属建造的，可能会影响房间内的无线信号传播。6未来实验5.2节中描述的实验有三个网络，都使用相对简单的算法来协调它们的频谱使用。 我们未来的工作将集中在开发和实现先进的算法，能够动态优化网络的配置。特别是，我们将开发传统的和ML为基础的算法，不同的计算复杂度和不同的性能指标的频谱利用率，功耗，数据吞吐量，重新配置延迟，和瞬态拥塞由于重新配置。注意，在实践中，网络重新配置不是瞬时的，并且可能导致瞬时拥塞。根据拥塞的持续时间和程度，数据分组可能会严重延迟甚至丢失，这可能会降低延迟敏感的超低延迟应用的性能(a) 在域控制器之间交换(b) 兼容性测试结果，报告新增加的发射器将不兼容现有接收器的预期参数(c) WD 3设备（Tx 3和Rx 3）与现有Tx/Rx设备之间的兼容性测试列表图8：系统我们计划同时考虑重新配置网络的算法的瞬态和稳态效应。算法的两个示例是：（i）集中式全局重新配置算法，其中中央服务器/节点从每个相关联的网络接收信息，并且解决优化问题以计算接近最优的资源分配;以及（ii）分布式局部重新配置算法，其中局部扰动触发相邻网络开始协商，旨在就新的改进的资源分配达成一致。在分散算法的情况下，重要的是评估算法收敛所需的时间在一般情况下，评估和比较这些和其他算法与国家的最先进的文献中，我们将利用本文中描述的框架84WiNTECH致谢这项工作得到了NSF资助CNS-1827923、CNS-1836901和AST-2037845的部分支持。引用[1] 卡洛斯·ECaicedo Bastidas，John A.放大图片创作者：AnthonyRennier ， Matthew Sherman ， Alex Lackpour ， Mieczyslaw M.Kokar，and Reinhard Schrage.2018. IEEE 1900.5.2：频谱消耗建模的标准方法：介绍和用例。IEEE通信标准杂志2，4（2018）。图9：实验方案图 10 ： COSMOS 沙 箱 中 发 射 器 和 接 收 器 的 分 布（ORBIT Grid[9]）7结论我们在COSMOS测试平台上设计并实现了一个框架，该框架能够进行动态频谱接入机制的实验和研究，并协调不同无线网络之间的频谱资源使用。该框架利用DARPA为频谱协作挑战赛开发的交互语言CIL的修改版本，以实现无线网络之间的SCM消息交换。 SCM为对等网络提供有关RF设备的频谱使用特性的详细信息，以及快速有效地执行兼容性计算以确定可用频谱资源并避免与其他网络干扰的过程。最后，为了展示所开发的框架的能力，我们描述了3个网络的实验，在不同的时间加入无线通信环境并交换SCM消息以自主地确定其通信链路的最佳频率 我们所做的工作是探索更精细的算法及其将利用相同框架的广泛实验的第一步。[2] 诉Vijayabaskar Bhausaheb E.辛德2020年。 使用新语义协调协议的LTE和Wi-Fi共存。国际先进科学与技术杂志29，05（2020）。[3] 云增强型开放式软件定义移动无线测试平台，用于城市规模部署（COSMOS）。2021年https://cosmos-lab.org/的网站上下载。[4] 美国电气与电子工程师学会。2017年。IEEE 1900.5.2-2017-频谱消耗建模方法标准（2017年）。[5] Xiangpeng Jing和Dipankar Raychaudhuri。2006. 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