[論文レビュー] A Dynamic Spectrum Access on SDR for IEEE 802.15.4 networks

Rafik Zitouni, Laurent George+1 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2015

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、GNU RadioおよびUSRPを用いたソフトウェア定義無線（SDR）に基づき、IEEE 802.15.4e無線センサネットワーク向けに動的スペクトラムアクセス（DSA）方式を提案する。エネルギー検出に基づくスペクトラムセンシングとメッセージ駆動型同期アルゴリズムを採用することで、868/915 MHzおよび2450 MHz帯域を動的にホップすることができ、干渉下でも静的周波数割り当てと比較してパケット成功率（PSR）が80%向上した。

ABSTRACT

Our paper deals with a Dynamic Spectrum Access (DSA) and its implementation on a Software Defined Radio (SDR) for IEEE 802.15.4e Networks. The network nodes select the carrier frequency after Energy-Detection based Spectrum Sensing (SS). To ensure frequency hoping between two nodes in IEEE 802.15.4e Network, we propose a synchronization algorithm. We considerate the IEEE 802.15.4e Network is Secondary User (SU), and all other networks are Primary Users (PUs) in unlicensed 868/915 MHz and 2450 MHz bands of a Cognitive Radio (CR). However, the algorithm and the energy-sensor have been implemented over GNU Radio and Universal Software Radio Peripheral (USRP) SDR. In addition, real packet transmissions have been performed in two cases. In the first case, SU communicates in static carrier-frequency, while in the second case with the implemented DSA. For each case, PU transmitter disturbs SU, which calculates Packet Success Rate (PSR) to measure the robustness of a used DSA. The obtained PSR is improved by 80\% when the SU accomplished DSA rather than a static access.

研究の動機と目的

• 免許なしISM帯域におけるスケジューリング不足問題を解消するため、IEEE 802.15.4eベースの無線センサネットワークにおける動的スペクトラムアクセスを実現すること。
• Wi-FiやBluetoothなどのプライマリユーザー（PU）が存在する環境において、IEEE 802.15.4eネットワークをセカンダリユーザー（SU）として運用する認知無線システムを実装すること。
• GNU RadioおよびUSRPを用いたリアルタイムで動作するSDRベースのDSAシステムを構築・検証することにより、動的キャリア周波数選択を実現すること。
• PSRやPRRといった測定可能な性能指標を用いて、実世界の干渉条件下におけるDSAの耐障害性を評価すること。

提案手法

• IEEE 802.15.4e（O-QPSK/BPSK）、GMSK、およびエネルギー検出受信機をサポートするGNU RadioにおけるマルチチェーンSDRアーキテクチャを実装した。
• 868/915 MHzおよび2450 MHz帯域におけるスペクトラム占有状況をエネルギー検出によりセンシングし、エネルギーレベルが最も低いチャネルをアクティブ周波数として選択した。
• 送信機と受信機ノード間のリアルタイム周波数選択を調整するため、メッセージ駆動型の同期アルゴリズムを設計した。
• USRP SDRハードウェアを用いてリアルタイムでパケット送信を実行し、帯域に応じて250 kbps（O-QPSK）および20/40 kbps（BPSK）のデータレートを達成した。
• 1800 msのサイクル時間で3 MHz帯域幅ごとにスペクトラムセンシングを同期し、送信中にも動的周波数再選択を可能にした。
• PSRおよびPRRを用いて性能を測定し、CRCチェックを用いて正しく受信されたパケットと破損したパケットを区別した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SDRプラットフォームを用いたIEEE 802.15.4eベースの無線センサネットワークにおいて、動的スペクトラムアクセスを効果的に実装する方法は何か？
• RQ2 共周波数干渉下におけるリアルタイムスペクトラムセンシングと動的周波数ホッピングが、パケット成功率に与える影響は何か？
• RQ3 送信機と受信機間の同期メカニズムは、分散型SDR環境における信頼性の高い動的周波数選択をどのように保証するか？
• RQ4 混雑したISM帯域において、DSAは静的周波数割り当てと比較して、どの程度耐障害性を向上させるか？

主な発見

• 提案されたDSAシステムは、OFDM干渉下でも静的周波数選択と比較してパケット成功率（PSR）が80%向上した。
• DSAを導入しない場合、プライマリユーザー（PU）信号がセカンダリユーザー（SU）のキャリア周波数から0.3 MHz以内に存在すると、干渉が検出されずPSRがゼロに低下した。
• DSAを導入した場合、PUからのスペクトル的距離が0.3 MHzの地点でPSRおよびPRRが約20%低下したが、これは主にセンシングおよび切り替えのオーバーヘッドに起因した。
• 1 MHz帯域幅のスペクトラムセンシングには約600 msを要し、センシングサイクル中は一時的なデータ損失が生じた。
• 868 MHz帯に切り替わった際、システムは変調方式をBPSKに変更し、データレートを250 kbpsから20/40 kbpsに低下させた。
• DSAの性能向上は、パケット間生成時間やセンシングサイクル時間といったシステムパラメータに依存しており、これらを最適化することでPSRをさらに向上させられる可能性がある。