KR100955766B1 - 기존 통신시스템과 주파수 대역을 공유하는 데이터 전송방법 - Google Patents

기존 통신시스템과 주파수 대역을 공유하는 데이터 전송방법 Download PDF

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Abstract

기존 통신시스템과 주파수 대역을 공유하는 데이터 전송 방법은 기존 통신시스템의 수신기의 임펄스 응답, 채널의 임펄스 응답 및 기존 통신시스템으로부터의 간섭 신호의 전력 스펙트럼을 이용하여 송신 파형을 구하는 단계 및 상기 송신 파형을 이용하여 데이터를 전송하는 단계를 포함한다. 기존 통신시스템에 대하여 간섭을 일으키지 않으면서 공유 통신시스템의 데이터 전송 성능을 최대화할 수 있다.

Description

기존 통신시스템과 주파수 대역을 공유하는 데이터 전송 방법{Data Transmission Method For Sharing Frequency Bandwidth with Legacy Communication Systems}
본 발명은 데이터 전송 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존 통신시스템과 주파수 대역을 공유하는 데이터 전송 방법에 관한 것이다.
주파수 자원은 한정되어 있으므로, 이를 효율적으로 활용하여야 한다. 주파수 자원을 효율적으로 활용하기 위한 다양한 방법 중에서 복수의 통신 시스템이 동일한 주파수 대역을 공유하는 방법이 있다. 즉, 기존 통신시스템이 이미 사용하고 있는 주파수 대역을 이용하여 데이터를 전송하는 방법에 관한 다양한 기술이 제안되어 왔다.
J.H.Cho의 "Joint transmitter and receiver optimization in additive cyclostationary noise", IEEE Transactions on Information Theory 2004년 12월, pp.3396-3405에 의하면 기존 통신시스템과 주파수 대역을 공유하는 통신시스템의 수신기 출력의 평균제곱오차(Mean-Squared Error(이하, MSE라 한다))를 최소화하는 방법이 개시되어 있다. 또한, H.S.Mir와 S.Roy의 "Optimum transmitter/receiver design for a narrowband overlay in noncoordinated subscriber lines", IEEE Transactions on Communications, 2004년 6월, pp.992-998에 의하면 기존 통신시스템의 수신기 출력의 추가적인 평균제곱오차(excess MSE)를 어느 정도 허용하면서 기존 통신시스템과 주파수 대역을 공유하는 통신시스템의 수신기 출력의 평균제곱오차를 최소화하는 방법이 개시되어 있다.
그런데, 종래 기술에 따르면 기존 통신시스템과 주파수 대역을 공유하는 통신시스템이 신호를 송출하는 경우, 그 신호는 기존 통신시스템에 대하여 간섭을 일으켜 기존 통신시스템의 성능을 현저히 떨어뜨린다.
또한, 종래 기술에 따르면 기존 통신시스템과 주파수 대역을 공유하는 통신시스템에 대한 기존 통신시스템의 간섭 영향이 여전히 남아 있어, 그 성능 면에서 개선이 요구된다.
따라서, 기존 통신시스템과 주파수 대역을 공유하는 통신시스템이 데이터를 전송하는데 있어서, 기존 통신시스템에 대한 간섭 영향을 줄이는 것과 동시에, 상기 기존 통신시스템과 주파수 대역을 공유하는 통신시스템의 데이터 전송 효율을 향상시키기 위한 다양한 시도가 있다.
본 발명의 기술적 과제는 기존 통신시스템과 주파수 대역을 공유하는 통신시스템의 데이터 전송 효율을 향상시키는 것이다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 기존 통신시스템과 주파수 대역을 공유하는 통신시스템이 데이터를 전송함에 있어서 기존 통신시스템에 대하여 간섭을 일으키지 않는 것이다.
본 발명의 일 양태에 따른 기존 통신시스템과 주파수 대역을 공유하는 데이터 전송 방법은 기존 통신시스템의 수신기의 임펄스 응답, 채널의 임펄스 응답 및 기존 통신시스템으로부터의 간섭 신호의 전력 스펙트럼을 이용하여 송신 파형을 구하는 단계 및 상기 송신 파형을 이용하여 데이터를 전송하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따른 기존 통신시스템과 주파수 대역을 공유하는 데이터 수신 방법은 송신 파형을 통하여 송신되는 수신 신호를 수신하는 단계 및 상기 수신 신호를 처리하는 단계를 포함하되, 상기 송신 파형은 기존 통신시스템의 수신기의 임펄스 응답과 채널의 임펄스 응답을 이용하여 행렬 G(f)를 구하고, 기존 통신시스템에서 공유 통신시스템으로의 간섭 신호의 전력 스펙트럼과 공유 통신시스템 채널의 임펄스 응답을 이용하여 행렬 C(f)를 구하여, 상기 행렬 G(f)와 C(f)로부터 얻어지는 임시 행렬의 최대 고유값 λmax(f)를 구하며, 상기 최대 고유값 λmax(f)으로부터 얻어지는 최적의 에너지 할당값 aopt(f)와 상기 최대 고유값 λmax(f)의 고유 벡터 v max(f)를 이용하여 구하고, 상기 수신 신호는 사이클릭 위너 필터(Cyclic Wiener Filter)인 LMMSE 수신기를 이용하여 처리한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따른 기존 통신시스템과 주파수 대역을 공유하도록 송신 파형을 구하는 방법은 송신 가능 주파수 대역과 수신 가능 주파수 대역은 서로 다를 때 가상의 기존 통신시스템 개념을 도입하여 상기 기존 통신시스템의 수신기의 임펄스 응답과 상기 채널의 임펄스 응답과 가상의 기존 통신시스템의 수신기의 임펄스 응답을 이용하여 행렬 G(f)를 구하는 단계, 상기 기존 통신시스템으로부터의 간섭 신호의 전력 스펙트럼과 공유 통신시스템 채널의 임펄스 응답을 이용하여 행렬 C(f)를 구하는 단계, 상기 행렬 G(f)와 C(f)로부터 얻어지는 임시 행렬의 최대 고유값 λmax(f)를 구하는 단계 및 상기 최대 고유값 λmax(f)로부터 얻어지는 최적의 에너지 할당값 aopt(f)와 상기 최대 고유값 λmax(f)의 고유 벡터 v max(f)를 이용하여 송신 파형을 구하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면 기존 통신시스템에 대하여 간섭을 일으키지 않으면서 기존 통신시스템과 주파수 대역을 공유하는 통신시스템의 데이터 전송 효율을 최대화할 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위하여, 이 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 설명하기로 한다. 그러나 본 실시예가 이하에서 개시되는 실시예에 한정할 것이 아니라 서로 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서의 요소의 형상등은 보 다 명확한 설명을 강조하기 위하여 과장되게 표현된 부분이 있을 수 있으며, 도면상에서 동일 부호로 표시된 요소는 동일 요소를 의미한다.
본 명세서에서, 기존 통신시스템(Legacy Communication System)이란 관심 주파수 대역을 이미 사용하고 있는 통신시스템을 의미하고, 이는 단수 또는 복수일 수 있다.
본 명세서에서, 공유 통신시스템(Overlay Communication System)이란 기존 통신시스템과 주파수 대역을 공유하기 위하여 새롭게 추가되는 시스템을 의미한다.
여기서, 통신시스템이란 위성링크, 다중접속(Multiple-Access)채널, 방송(Broadcast) 채널, 무선 인지(Cognitive Radio) 시스템, 릴레이 채널, 애드혹(Ad Hoc) 네트워크, 디지털 가입자 회선(Digital Subscriber Line) 등의 다양한 통신방식에 따른 시스템을 모두 포함한다.
여기서, 공유 통신시스템은 기존 통신시스템과 동일한 심볼 전송율을 가지는 선형 변조(Linear Modulation) 시스템일 수 있다.
도 1은 기존 통신시스템과 공유 통신시스템의 개략도이다.
도 1에서 보는 바와 같이, 기존 통신시스템(100, 110, 120)이 임의의 주파수 대역을 이용하여 데이터를 송수신하고 있다. 즉, 기존 통신시스템(100, 110, 120)은 송신기(101, 111, 121)로부터 송신 파형을 이용하여 신호를 보내고, 수신기(102, 112, 122)는 상기 송신기(101, 111, 121)로부터 수신된 신호를 처리한다. 여기에, 상기 임의의 주파수 대역을 공유하는 공유 통신시스템(200)을 추가하고자 한다. 공유 통신시스템(200)은 상기 기존 통신시스템이 이용하고 있는 주파수 대역 에서 송신기(201)로부터 송신 파형을 이용하여 신호를 보내고, 수신기(202)는 상기 송신기(201)로부터 수신된 신호를 처리한다.
도 2는 기존 통신시스템과 공유 통신시스템의 데이터 송수신 상태를 나타내는 도면이다.
도 2에서 보는 바와 같이, 실선 (a)는 기존 통신시스템(100, 110, 120)의 송신기(101, 111, 121) 및 공유 통신시스템(200)의 송신기(201)로부터 각각의 수신기(102, 112, 122, 202)로의 데이터 전송을 나타내고, 실선 (b)는 기존 통신시스템(100, 110, 120)의 송신기(101, 111, 121)로부터 송출된 신호가 다른 기존 통신시스템의 수신기(102, 112, 122)에 대하여 미치는 간섭을 나타내며, 점선 (c)는 기존 통신시스템(100, 110, 120)의 송신기(101, 111, 121)로부터 송출된 신호가 공유 통신시스템(200)의 수신기(202)에 대하여 미치는 간섭을 나타내고, 점선 (d)는 공유 통신시스템(200)의 송신기(201)로부터 송출된 신호가 기존 통신시스템(100, 110, 120)의 수신기(102, 112, 122)에 대하여 미치는 간섭을 나타낸다.
도 2에서 보는 바와 같이, 기존 통신시스템(100, 110, 120)의 수신기(102, 112, 122)의 임펄스 응답은 w1(-t)*, w2(-t)*, w3(-t)*이다. 여기서, wi(-t)*는 i번째 기존 통신시스템의 수신기의 임펄스 응답을 나타낸다. 또한, 공유 통신시스템(200)의 송신기(201)와 기존 통신시스템(100, 110, 120)의 수신기(102, 112, 122) 사이의 채널의 임펄스 응답은 h1(t), h2(t), h3(t)이다. 여기서, hi(t)는 공유 통신시스템의 송신기와 i번째 기존 통신시스템의 수신기 사이의 채널의 임펄스 응답을 나타 낸다.
공유 통신시스템(200)에서 송신기(201)의 송신 파형은 s(t)이고, 채널의 임펄스 응답은 h(t)이며, 수신기(202)의 임펄스 응답은 w(-t)*이다.
공유 통신시스템(200)의 송신기(201)가 신호를 송출하면 그 신호는 임펄스 응답이 hi(t)인 채널을 통과하여 기존 통신시스템의 수신기(102, 112, 122)에 수신된다. 또한, 기존 통신시스템의 송신기(101, 111, 121)가 신호를 송출하면 그 신호는 공유 통신시스템의 수신기(202)에 수신된다. 이는 각각의 통신시스템에 대하여 간섭으로 작용한다.
하기의 수학식 1은 도 2에서 도시된 공유 통신시스템(200)의 수신기(202)에 수신되는 신호를 나타낸다.
Figure 112008034386882-pat00001
여기서, T는 심볼 전송 주기이고, b[l]은 데이터이다. 송신 파형 s(t)에 대한 채널의 응답은
Figure 112008034386882-pat00002
로 정의되고,
Figure 112008034386882-pat00003
는 컨볼루션(convolution) 연산을 뜻한다. 또한, n(t)는 공유 통신시스템(200)의 수신기(202)가 인식하는 총 잡음을 의미한다(
Figure 112008034386882-pat00004
). 여기서, nI(t)는 도 2의 점선 (c)와 같은 공유 통신시스템(200)의 수신기(202)가 인식하는 기존 통신시스템(100, 110, 120)의 송신기(101, 111, 121)로부터 송출되는 신호이고, nA(t)는 일반적인 백색 잡음이다.
하기의 수학식 2는 z(t)가 수신기(202)를 통과하여 주기 T로 샘플링된 z[l]을 나타낸다.
Figure 112008034386882-pat00005
이하에서, 기존 통신시스템에 간섭 영향을 주지 않는 것과 동시에 공유 통신시스템의 데이터 전송 성능을 최대화할 수 있도록 송신 파형을 최적화시키는 방법을 제시한다. 즉, 하기의 수학식 3의 조건을 만족시키는 송신 파형을 찾아야 한다. 즉, 송신기(201)로부터 송출되는 신호의 전력이 제한되어 있고, 기존 통신시스템(100, 110, 120)에 대한 간섭을 0으로 하는 조건 하에서 MSE 값을 최소화하는 최적의 송신 파형을 찾는다.
Figure 112008034386882-pat00006
Figure 112008034386882-pat00007
Figure 112008034386882-pat00008
여기서, 도 2에서 보다 일반화된 K개의 기존의 통신시스템을 가정하였으며 К는 집합 {1,2, ..., K}로 정의되고,
Figure 112008034386882-pat00009
으로 정의되고, τk는 샘플링 오프셋을 의미한다.
Figure 112008034386882-pat00010
는 공유 통신시스템(200)의 송신기(201)로부터 송출된 신호로써 그 송신 전력은 A값을 가지고,
Figure 112008034386882-pat00011
는 도 2의 점선 (d)와 같이 공유 통신시스템(200)의 송출 신호가 기존 통신시스템(100, 110, 120)중 k번째 수신기에 미치는 간섭으로써 그 값은 0이 되는 조건하에서, b[l]과 z[l] 사이의 MSE를 최소로 만드는 송신 파형을 구하여야 한다.
여기서, 송신 전력이 클수록 수신기 출력의 MSE는 작아질 수 있으므로, 최적의 송수신단을 얻기 위하여 송신 전력을 A로 제한하는 것이 필요하다.
이하에서는 상기 수학식 3을 만족하는 송신 파형 s(t)를 구한다.
먼저, 수학식 3의
Figure 112008034386882-pat00012
를 하기 수학식 4와 같이 전개할 수 있다.
Figure 112008034386882-pat00013
여기서,
Figure 112008034386882-pat00014
은 실수 부분을 의미하고,
Figure 112008034386882-pat00015
로 정의된다.
수학식 3의 해를 구하기 위하여 공유 통신시스템(200)에 수신되는 총 잡음 n(t)를 고려해야 한다. n(t)는 nI(t)와 nA(t)의 합이고, nI(t)는 도 2의 점선 (c)와 같이 기존 통신시스템(100, 110, 120)의 송신기(101, 111, 121)로부터 송출되는 신 호이며, 주기 T인 광의의 주기정상적(Wide-Sense Cyclostationary(이하, WSCS라 한다))이고, nA(t)는 일반적인 채널의 잡음이며, 광의의 정상적(Wide-Sense Stationary(이하, WSS라 한다))이다. 따라서, WSCS인 nI(t)와 WSS인 nA(t)의 합인 n(t)는 주기가 T인 WSCS가 된다. 이와 같이, WSCS인 잡음의 존재하에, 최소화된 MSE를 얻기 위하여 벡터화된 푸리에 변환(Vectorized Fourier Transform(이하, VFT라 한다))을 적용한다. 여기서, VFT는 하기의 수학식 5에 의하여 정의된다.
Figure 112008034386882-pat00016
여기서, x(f)는 푸리에 변환을 원소로 가지는 벡터이고, 원소인 X(ζ)는 x(t)의 푸리에 변환식이다(
Figure 112008034386882-pat00017
). 또한, L은
Figure 112008034386882-pat00018
로 정의되고, B를 대역폭이라 정의할 경우
Figure 112008034386882-pat00019
가 되고, 여기서 β는 초과대역폭(excess bandwidth)을 의미한다. 여기서, X(ζ)의 대역폭은 B이므로 x(f)의 첫 행 또는 마지막 행이 f값에 따라 제거되어야 하며 그 결과 x(f)는 N(f)×1벡터가 된다.
Figure 112008034386882-pat00020
가 짝수일 때,
Figure 112008034386882-pat00021
로 정의되며,
Figure 112008034386882-pat00022
가 홀수일 때,
Figure 112008034386882-pat00023
로 정의된다.
수학식 3에 VFT를 적용하면 수학식 3은 하기의 수학식 6과 같이 바뀔 수 있다.
Figure 112008034386882-pat00024
여기서,
Figure 112008034386882-pat00025
는 나이퀴스트 간격을 나타내고, s(f), w(f), p(f)는 각각 송신 파형 s(t), 수신 파형 w(t), 송신 파형의 채널 응답 p(t)의 VFT이며, M(f)는
Figure 112008034386882-pat00026
로 정의되는 m[l]의 주기 T인 전력 스펙트럼 밀도(Power Spectral Density(PSD))이다(
Figure 112008034386882-pat00027
). 또한, R Z(f)는 벡터화된 송신 파형의 채널 응답 p(f)로 수신되는 신호의 전력 스펙트럼 밀도 행렬이고,
Figure 112008034386882-pat00028
로 정의되며, R N(f)는 공유 통신시스템의 수신기가 인식하는 잡음 n(t)의 행렬화된 전력 스펙트럼 밀도이고, 다음과 같이 정의된다.
Figure 112008034386882-pat00029
또한, w k(f)는 k번째 기존 통신시스템의 수신기의 임펄스 응답이며, 행렬 H k(f)는 공유 통신시스템의 수신기로부터 k번째 기존 통신시스템까지 채널의 임펄스 응답을 이용하여 구한 대각 행렬로,
Figure 112008034386882-pat00030
로 정의되고, 여기서
Figure 112008034386882-pat00031
이며, h k(f)는 채널의 임펄스 응답 hk(t)의 VFT이고, ⊙는 성분별 하다마드 곱을 의미한다.
수학식 6은 전개 및 치환하여 하기의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008034386882-pat00032
여기서,
Figure 112008034386882-pat00033
로 정의되고, G(f)는
Figure 112008034386882-pat00034
으로 정의된다.
LMMSE 수신기를 만드는 방법을 이용하여 최적화 문제인 수학식 7의 해를 구하면 최적의 수신 파형의 VFT w(f)를 구할 수 있다. 여기에서, LMMSE 수신기는 사이클릭 위너 필터(cyclic Wiener filter)이다.
하기의 수학식 8은 사이클릭 위너 필터의 VFT이다.
Figure 112008034386882-pat00035
여기서,
Figure 112008034386882-pat00036
로 정의되고, 행렬 H(f)는 공유 통신시스템의 송수신단간 채널의 임펄스 응답의 VFT를 이용하여 구한 대각 행렬이다. 상기 수학식 8을 이용하면 수학식 7은 하기의 수학식 9로 바뀔 수 있다.
Figure 112008034386882-pat00037
여기서, 송출 신호의 전력값이 A인 조건과 기존 통신시스템에 대한 간섭이 0인 조건을 모두 만족시키면서 수신기 출력의 평균제곱오차가 최소화되도록 하는 최적의 송신기의 송신 파형의 VFT s opt(f)가 0이 아닌 해를 가지기 위한 필요충분조건은 하기 수학식 10과 같다. 따라서, 하기 수학식 10을 만족할 경우에는 공유 통신시스템의 기존 통신시스템에 대한 간섭이 없으므로, 기존 통신시스템과 동일한 주파수 대역을 새로운 통신시스템이 공유할 수 있다. 즉, 하기 수학식 10을 만족할 경우에 기존 통신시스템에 대하여 간섭이 없는 공유 통신시스템을 추가할 수 있는 것으로 판단한다.
Figure 112008034386882-pat00038
상기 수학식 9에서 최적의 송신 파형의 VFT s opt(f)은 하기의 수학식 11과 같다.
Figure 112008034386882-pat00039
여기서, 에너지 할당값 a(f)는 s(f)H s(f)이고, 고유 벡터 v max(f)는 임시 행렬 P(f)C(f)의 가장 큰 고유값 λmax(f)의 고유 벡터이며, θ(f)는 임의로 정할 수 있다. 여기서, P(f)는 I N (f)-G(f)H(G(f)G(f)H)† G(f))이고, †는 pseudo inverse를 나타낸다. 또한, I N (f)는 N(f)×N(f)의 단위 행렬을 나타내고, N은 G(f)H의 열과 같은 차원이다.
또한, 상기 수학식 11을 이용하여 상기 수학식 9를 하기 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008034386882-pat00040
여기서, 최적의 송신 파형의 VFT s opt(f)을 구하기 위하여 최적의 에너지 할당값 aopt(f)를 알아야 한다. 상기 수학식 12의 해인 최적의 에너지 할당값 aopt(f)는 하기의 수학식 13과 같이 주어진다.
Figure 112008034386882-pat00041
여기서,
Figure 112008034386882-pat00042
로 정의되고, 상기 수학식 13에서
Figure 112008034386882-pat00043
는 하기 수학식 14의 유일한 해이고, 0보다 크다. 이 해는 통상의 라인 탐색법을 이용해 구할 수 있다. 여기서 [x]+는 max(x,0)이다.
Figure 112008034386882-pat00044
상기 수학식 14에서 구한 최적의 에너지 할당값 aopt(f)와 상기 수학식 8 및 수학식 11을 이용하면 하기 수학식 15와 같은 최적의 송신 파형의 VFT s opt(f), 최 적의 수신 파형의 VFT w opt(f)를 구할 수 있다.
Figure 112008034386882-pat00045
상기 최적의 송신 파형의 VFT s opt(f), 최적의 수신 파형의 VFT w opt(f)는 기존 통신시스템에 간섭을 주지 않으면서 송신기 및 수신기를 동시에 최적화하는 송신 파형 및 수신 파형의 VFT이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 파형을 사용했을 때 송신 신호의 전력 밀도와 수신 파형의 에너지 밀도를 나타낸 도면이다. 도 3에서 나타낸 바와 같이, 기존 통신시스템 1 및 기존 통신시스템 2로부터 간섭이 존재한다. 여기서, 송수신단의 대역폭은 1/T Hz, 신호대잡음비(SNR)는 10 dB, 기존 통신시스템에 의한 간섭 신호는 공유 통신시스템의 송출 신호보다 5 dB 더 높은 전력을 가지는 것으로 가정하였다.
본 발명에서는 송신 가능 주파수 대역에서 공유 통신시스템의 송신 파형을 최적화하기 위하여 가상의 기존 통신시스템(Virtual Legacy System) 개념을 도입한다. 공유 통신시스템에 있어서, 송신 가능 주파수 대역과 수신 가능 주파수 대역은 서로 다를 수 있다. 이때, 송신 가능 주파수 대역을 조금 더 넓게 잡는 대신 신호를 보내지 못하는 부분에 가상의 기존 통신시스템이 있는 것으로 등가적으로 바꾸 면 공유 통신시스템의 설계는 더욱 간단해진다. 상기 가상의 기존 통신시스템은 공유 통신시스템이 관심 주파수 대역 이외의 부분과 채널의 주파수 응답이 0인 주파수 대역 부분에 신호를 보내지 않도록 한다.
여기서, 가상의 기존 통신시스템에 직교하기 위해 행렬 G(f)에 추가되어야 할 행렬은 하기 수학식 16과 같이 주어진다.
Figure 112008034386882-pat00046
여기서,
Figure 112008034386882-pat00047
는 i번째 가상의 기존 통신시스템의 수신 파형의 VFT이고, N'(f)는 주파수 오프셋 f에서의 가상의 기존 통신시스템의 개수를 나타낸다.
도 4는 가상의 기존 통신시스템이 적용되는 주파수 대역을 나타낸 도면이다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, BT는 공유 통신시스템의 송신이 허용된 주파수 대역이고, BH C는 채널의 주파수 응답 H(ξ)가 0인 주파수 대역이며, BR은 공유 통신시스템의 수신기가 수신이 가능한 주파수 대역이다. 하기의 수학식 17은 도 4와 같이 주어진 가상의 기존 통신시스템의 수신 파형의 VFT를 정하는 방법을 나타낸다.
Figure 112008034386882-pat00048
상기 가상의 기존 통신시스템이 존재할 경우에, 상기 수학식 7의 행렬 G(f)는 하기의 수학식 18과 같이 다시 정의된다.
Figure 112008034386882-pat00049
여기서, 상기 가상의 기존 통신시스템 존재 하에서도 s opt(f)가 0이 아닌 해를 가지기 위한 필요충분조건은 행렬 G(f)가 상기의 수학식 18과 같이 다시 정의될 때 상기 수학식 10이 적용된다.
도 5는 송신가능 주파수 대역이 수신가능 주파수 대역보다 작은 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 파형을 사용했을 때 송신신호의 전력밀도와 수신 파형의 에너지 밀도를 나타낸 도면이다. 도 5에서 나타낸 바와 같이, 최적의 송신신호가 차지하는 주파수 대역보다 넓은 대역에서 수신신호가 존재한다. 여기서, 송신단의 대역폭은 1/T Hz, 수신단의 대역폭은 1.5/T Hz, 신호대잡음비(SNR)는 10 dB, 기 존 통신시스템에 의한 간섭 신호는 공유 통신시스템의 송출 신호보다 5 dB 더 높은 전력을 가지는 것으로 가정하였다.
도 6은 기존의 통신시스템에 간섭을 주지 않는 공유 통신시스템의 비트 오율 성능(BER)을 나타낸 그래프이다. 도 6에서 (a)는 기존 통신시스템이 공유 통신시스템에 대하여 미치는 간섭에서 주파수 대역 상관관계를 고려하지 않고 송수신단을 최적화한 경우의 그래프이고, (b)는 본 발명의 일 실시예에 따라 기존 통신시스템이 공유 통신시스템에 대하여 미치는 간섭에서 주파수 대역 상관관계를 고려하여 송수신단을 동시 최적화한 경우의 그래프이다. 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 공유 통신시스템의 송수신단을 동시 최적화한 경우에 공유 통신시스템의 비트 오율 성능이 현저히 우수하였다.
도 7은 기존 통신시스템의 비트 오율 성능을 나타낸 그래프이다. 도 7에서 (a)는 기존 통신시스템에 미치는 간섭을 고려하지 않고 공유 통신시스템을 설계한 경우의 그래프이고, (b)는 본 발명의 일 실시예에 따라 기존 통신시스템에 미치는 간섭을 고려하여 간섭이 0이 되도록 공유 통신시스템을 설계한 경우의 그래프이다. 도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 공유 통신시스템이 기존 통신시스템에 미치는 간섭을 고려하여 공유 통신시스템을 설계한 경우에 기존 통신시스템의 비트 오율 성능이 현저히 우수하였다.
본 발명은 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 하드웨어 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하기 위해 디자인된 ASIC(application specific integrated circuit), DSP(digital signal processing), PLD(programmable logic device), FPGA(field programmable gate array), 프로세서, 제어기, 마이크로 프로세서, 다른 전자 유닛 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 소프트웨어 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하는 모듈로 구현될 수 있다. 소프트웨어는 메모리 유닛에 저장될 수 있고, 프로세서에 의해 실행된다. 메모리 유닛이나 프로세서는 당업자에게 잘 알려진 다양한 수단을 채용할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는, 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.
도 1은 기존 통신시스템과 공유 통신시스템의 개략도이다.
도 2는 기존 통신시스템과 공유 통신시스템의 데이터 송수신 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 송수신 파형을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 가상의 기존 통신시스템이 적용되는 주파수 대역을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 송신 가능 주파수 대역과 수신 가능 주파수 대역이 다를 경우의 송수신 파형을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에서 공유 통신시스템의 비트 오율 성능(BER)을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에서 기존 통신시스템의 비트 오율 성능을 나타낸 그래프이다.

Claims (8)

  1. 기존 통신시스템과 주파수 대역을 공유하는 데이터 전송 방법에 있어서,
    기존 통신시스템의 수신기의 임펄스 응답, 채널의 임펄스 응답 및 기존 통신시스템으로부터의 간섭 신호의 전력 스펙트럼을 이용하여 송신 파형을 구하는 단계; 및
    상기 송신 파형을 이용하여 데이터를 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신 파형을 구하는 단계는
    상기 기존 통신시스템의 수신기의 임펄스 응답과 채널의 임펄스 응답을 이용하여 행렬 G(f)를 구하는 단계;
    기존 통신시스템으로부터의 간섭 신호의 전력 스펙트럼과 공유 통신시스템 채널의 임펄스 응답을 이용하여 행렬 C(f)를 구하는 단계;
    상기 행렬 G(f)와 C(f)로부터 얻어지는 임시 행렬의 최대 고유값 λmax(f)를 구하는 단계; 및
    상기 최대 고유값 λmax(f)으로부터 얻어지는 최적의 에너지 할당값 aopt(f)와 상기 최대 고유값 λmax(f)의 고유 벡터 v max(f)를 이용하여 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 행렬 G(f)는
    Figure 112008034386882-pat00050
    과 같고, K는 기존 통신시스템의 개수이고, w i(f)는 i번째 기존 통신시스템의 수신기의 임펄스 응답이며, 행렬 H i(f)는 공유 통신시스템의 수신기로부터 i번째 기존 통신시스템까지 채널의 임펄스 응답의 VFT를 이용하여 구한 대각 행렬로, diag(e i(f)⊙h i(f))로 정의되고, h i(f)는 채널의 임펄스 응답 hi(t)의 VFT이며,
    Figure 112008034386882-pat00051
    이고,
    Figure 112008034386882-pat00052
    가 짝수일 때,
    Figure 112008034386882-pat00053
    로 정의되며,
    Figure 112008034386882-pat00054
    가 홀수일 때,
    Figure 112008034386882-pat00055
    로 정의되고, β는 초과대역폭이며, FM은 {f∈F:M(fT)≠0}으로 정의되고,
    Figure 112008034386882-pat00056
    는 나이퀴스트 간격을 나타내며, T는 심볼 전송 주기이고, M(f)는 공유 통신시스템에 대한 데이터 b[l]의 자기 상관 함수
    Figure 112008034386882-pat00057
    의 주기 T인 전력 스펙트럼 밀도(PSD)인 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    송신 가능 주파수 대역과 수신 가능 주파수 대역이 다를 경우에, 상기 G(f)는
    Figure 112008034386882-pat00058
    과 같고, K는 기존 통신시스템의 개수이고, w i(f)는 i번째 기존 통신시스템의 수신기의 임펄스 응답이며, 행렬 H i(f)는 공유 통신시스템의 수신기로부터 i번째 기존 통신시스템까지 채널의 임펄스 응답의 VFT를 이용하여 구한 대각 행렬로, diag(e i(f)⊙h i(f))로 정의되고, h i(f)는 채널의 임펄스 응답 hi(t)의 VFT이며,
    Figure 112008034386882-pat00059
    이고,
    Figure 112008034386882-pat00060
    가 짝수일 때,
    Figure 112008034386882-pat00061
    로 정의되며,
    Figure 112008034386882-pat00062
    가 홀수일 때,
    Figure 112008034386882-pat00063
    로 정의되고, β는 초과대역폭이며,
    Figure 112008034386882-pat00064
    는 가상의 기존 통신시스템의 수신기의 임펄스 응답의 VFT를 나타내고, N'(f)는 주파수 오프셋 f에서의 가상의 기존 통신시스템의 개수를 나 타내며, FM은 {f∈F:M(fT)≠0}으로 정의되고,
    Figure 112008034386882-pat00065
    는 나이퀴스트 간격을 나타내며, M(f)는 공유 통신시스템에 대한 데이터 b[l]의 자기 상관 함수
    Figure 112008034386882-pat00066
    의 주기 T인 전력 스펙트럼 밀도(PSD)인 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 송신 파형의 VFT는
    Figure 112008034386882-pat00067
    과 같고, 최적의 에너지 할당 값
    Figure 112008034386882-pat00068
    이고, [x]+는 max(x,0)이며,
    Figure 112008034386882-pat00069
    는
    Figure 112008034386882-pat00070
    의 해이고, T는 심볼 전송 주기이며, M(f)는 기존 통신시스템과 주파수 대역을 공유하는 공유 통신시스템에 대한 데이터 b[l]의 자기 상관 함수
    Figure 112008034386882-pat00071
    의 주기 T인 스펙트럼 밀도(PSD)이고, 최대 고유값 λmax(f)는 임시 행렬 P(f)C(f)의 최대 고유값이며, P(f)는 I N (f)-G(f)H(G(f)G(f)H)† G(f))이고, C(f)는 H(f)H R N(f)-1 H(f)이며, I N (f)는 N(f)×N(f)의 단위 행렬이고, N(f)은 G(f)H의 열과 차원이 같으며, †는 pseudo inverse를 나타내고, 행렬 H(f)는 공유 통신시스템의 송수신단간 채널의 임펄스 응답의 VFT를 이용하여 구한 대각 행렬이며, R N(f)는 공유 통신시스템의 수신기가 인식하는 잡음 n(t)의 행렬화된 전력 스펙트럼 밀도이고, 고유 벡터 v max(f)는 최대 고유값 λmax(f)의 고유 벡터이며, θ(f)는 임의로 정할 수 있고,
    Figure 112008034386882-pat00072
    로 정의되며,
    Figure 112008034386882-pat00073
    는 나이퀴스트 간격을 나타내는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    Figure 112008034386882-pat00074
    를 만족하는 경우에 공유 통신시스템을 이용하여 데이터를 전송하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
  7. 기존 통신시스템과 주파수 대역을 공유하는 데이터 수신 방법에 있어서,
    송신 파형을 통하여 송신되는 수신 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 수신 신호를 처리하는 단계를 포함하되,
    상기 송신 파형은 기존 통신시스템의 수신기의 임펄스 응답과 채널의 임펄스 응답을 이용하여 행렬 G(f)를 구하고, 기존 통신시스템에서 공유 통신시스템으로의 간섭 신호의 전력 스펙트럼과 공유 통신시스템 채널의 임펄스 응답을 이용하여 행렬 C(f)를 구하여, 상기 행렬 G(f)와 C(f)로부터 얻어지는 임시 행렬의 최대 고유값 λmax(f)를 구하며, 상기 최대 고유값 λmax(f)으로부터 얻어지는 최적의 에너지 할당값 aopt(f)와 상기 최대 고유값 λmax(f)의 고유 벡터 v max(f)를 이용하여 구하고,
    상기 수신 신호는 사이클릭 위너 필터(Cyclic Wiener Filter)인 LMMSE 수신기를 이용하여 처리하는 것을 특징으로 하는 데이터 수신 방법.
  8. 기존 통신시스템과 주파수 대역을 공유하도록 송신 파형을 구하는 방법에 있어서,
    송신 가능 주파수 대역과 수신 가능 주파수 대역은 서로 다를 때 가상의 기존 통신시스템 개념을 도입하여 상기 기존 통신시스템의 수신기의 임펄스 응답과 채널의 임펄스 응답과 상기 가상의 기존 통신시스템의 수신기의 임펄스 응답을 이용하여 행렬 G(f)를 구하는 단계;
    상기 기존 통신시스템으로부터의 간섭 신호의 전력 스펙트럼과 공유 통신시스템 채널의 임펄스 응답을 이용하여 행렬 C(f)를 구하는 단계;
    상기 행렬 G(f)와 C(f)로부터 얻어지는 임시 행렬의 최대 고유값 λmax(f)를 구하는 단계; 및
    상기 최대 고유값 λmax(f)로부터 얻어지는 최적의 에너지 할당값 aopt(f)와 상기 최대 고유값 λmax(f)의 고유 벡터 v max(f)를 이용하여 송신 파형을 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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