KR101047117B1 - 송신 스펙트럼 센싱장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 송신전파가 수신측에 영향을 끼치는 송신신호 간섭현상을 제거할 때, 송신전파의 전송을 중단하지 않도록 함으로써 송신 효율을 증가시키는 송신 스펙트럼 센싱장치에 대한 것이다. 본 발명은 송신부와 안테나 사이에 마련되는 듀플렉서를 통해 송신부의 송신전파를 수신하고, 수신된 송신전파를 토대로 수신부로 유입된 송신전파를 제거하는 간섭 제거부, 및 수신부로 유입되는 송신전파에서 송신전파에 포함되는 신호를 제거하여 송신전파의 주파수 대역을 판단하는 스펙트럼 센싱부를 포함한다.
듀플렉서, IEEE802.22, 스펙트럼 센싱, CR(Cognitive Radio)

Description

송신 스펙트럼 센싱장치{Spectrum sensing device}
본 발명은 송신 스펙트럼 센싱장치에 대한 것으로, 특히 송신전파가 수신측에 영향을 끼치는 송신신호 간섭현상을 제거할 때, 송신전파의 전송을 중단하지 않도록 함으로써 송신 효율을 증가시키는 송신 스펙트럼 센싱장치에 대한 것이다.
통상 무선 디지털 통신 시스템의 경우 기저대역(Base band)에서 처리된 송신 신호를 원하는 주파수 대역으로 변조하기 위한 RF 송신부, 및 전파를 수신하고 복조하여 원하는 신호를 획득하는 RF 수신부를 구비한다.
종래의 RF 회로는 크게 송신 및 수신 주파수가 서로 다를 경우, RF 송신부와 RF 수신부가 공동으로 접속되는 노드와 안테나 사이에 듀플렉서(duplexer)를 배치하는 FDD(Frequency Division duplexering) 방식, 및 동일한 주파수 대역을 송신 및 수신 신호가 시간을 나누어서 사용하는 TDD(Time Division duplexering) 방식으로 구분된다.
도 1은 FDD 방식의 일반적인 RF 회로의 구조를 나타낸 것이다. 기저대역 송신 신호는 DAC(Digital-to-Analogue Converter)(21)를 거친 후, 변조부(31), 대역 통과 필터(33) 및 증폭기(35)를 거치면서 송신 주파수 대역으로 변환되고, 듀플렉 서(37)를 통과하며, 안테나(40)를 통해 전파를 송신한다. 마찬가지로 안테나로부터 수신된 수신 주파수 대역(frx)의 신호는 증폭기(36), 및 대역통과 필터(34)를 거쳐, 복조부(32)에서 주파수(frx)에 의해 하향 변조된 후, ADC(Analogue-to-Digital Converter)(22)를 통과해서 기저대역 모뎀 신호 처리부(10)로 인가된다.
한편, 기존의 FDD 방식에서 듀플렉서(37)를 쓰는 중요한 이유는 도 2에 도시된 바와 같이, 송신 전력과 수신 전력의 차이에 기인한다. 송신 전력과 수신 전력의 차이가 너무 클 경우 송신 신호가 증폭부(36)에 유입되어 증폭부(36)를 포화시켜, 수신 신호를 왜곡시킨다. 다시 말해서 FDD 방식의 경우 RF 회로의 송신과 수신이 완벽하게 분리가 되지 않는다면 RF 송신 신호가 RF 수신 신호에 대해 간섭 신호로써 작용하여 수신 성능을 저하시킬 수 있다. 이러한 기존의 시스템은 수신 신호 전력에 비해서 송신 신호 전력이 매우 크기 때문에 이를 최소화시키는 방법만을 사용하며, 동일한 송신 주파수 대역을 사용하는 다른 디지털 통신 시스템, 예를 들어 다른 사용자 단말기의 송신 신호 스펙트럼 분석하면서 자신의 신호를 전송할 수 없다.
한편, 기존의 무선통신 시스템의 단말기는 셀룰러 기지국이나 무선랜 AP (Access Point)와의 통신을 위해서 주변 상황을 인지할 필요가 없었다. 예컨대, 셀룰러 이동통신 시스템에서 다수 사용자가 존재하더라도 단말기와 기지국 사이의 업링크(up link) 및 다운링크(down link)만이 존재하고, 사용자 단말기 사이의 링크는 존재하지 않았다. 하지만, 최근 들어 제안된 CR(Cognitive Radio)의 경우 주 변 상황을 감지하여 최적의 통신 채널, 및 사용되지 않는 주파수 대역을 이용함으로써 주파수 이용 효율 향상을 도모하기 때문에 주변 상황을 인지하거나 스펙트럼을 센싱하는 기술이 매우 중요한 핵심 기술이다.
IEEE802.22에서 개발되고 있는 CR의 경우에도 기존의 RF 회로를 그대로 이용하므로 송신 대역을 사용하면서 동시에 송신 주파수 대역을 센싱할 수 없다. 따라서, IEEE802.22에서 개발되고 있는 CR 방식은, 스펙트럼 센싱 시간과 송신 신호를 전송하기 위한 시간을 분리하여 사용하며, 그만큼 전송 신호의 전송 효율은 저하된다.
본 발명의 목적은 RF 수신단에 송신 신호 제거 장치를 적용함으로써, 송신 신호를 전송함과 동시에 외부에서 사용되는 주파수 대역을 센싱할 수 있도록 하는 송신 스펙트럼 센싱장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 적응형 디지털 신호처리를 활용하여 송수신 신호를 디지털 수신단에서 분리함으로써 SDR을 위한 모뎀 송수신기에 적용 가능한 송신 스펙트럼 센싱장치를 제공함에 있다.
상기한 목적은 본 발명에 따라, 송신부와 안테나 사이에 마련되는 듀플렉서를 통해 상기 송신부의 송신전파를 수신하고, 수신된 송신전파를 토대로 수신부로 유입된 송신전파를 제거하는 간섭 제거부, 및 상기 수신부로 유입되는 송신전파에서 상기 송신전파에 포함되는 신호를 제거하여 상기 송신전파의 주파수 대역을 판단하는 스펙트럼 센싱부에 의해 달성된다.
상기한 목적은 본 발명에 따라, 듀플렉서를 통해 수신부로 유입되는 송신부의 송신전파, 및 외부전파를 획득하는 디지털 RF부, 상기 송신전파에 포함되는 신호와 동일한 패턴의 기준신호를 이용하여 상기 수신부를 통해 유입되는 송신신호를 제거하는 간섭 제거부, 및 상기 수신부로 유입되는 상기 외부전파의 주파수 스펙트럼을 판단하는 스펙트럼 센싱부에 의해 달성된다.
또한, 디지털 업-컨버터(up-converter)로 송신신호를 전송하는 SDR 모뎀; 및 상기 디지털 업-컨버터로 향하는 상기 송신신호를 기준신호로 이용하여, 수신 측의 디지털 다운 컨버터(down-converter)로 수신되는 신호에 유입된 상기 송신신호를 제거하는 간섭 제거부;를 포함하는 스펙트럼 센싱장치에 의해 달성된다.
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본 발명의 송신 스펙트럼 센싱장치는 무선통신 단말기가 송신 주파수를 통해 신호를 전송하면서 송신 주파수 대역을 센싱할 수 있도록 함으로써 송신 주파수의 전송과 송신 주파수 대역의 센싱을 위해 전송시간을 구획할 필요가 없다. 따라서, 스펙트럼 센싱을 이용하는 IEEE802.22 CR에 적용 시, 송신 효율을 높일 수 있다.
또한 본 발명은 디지털 RF 신호처리를 사용하므로 부가적인 RF 회로를 요구하지 않아 경제적이며, 다양한 디지털 적응형 신호처리 기법을 적용하여 송신 주파수 대역에 대한 센싱 성능을 높일 수 있다.
본 발명에서 제안하는 스펙트럼 센싱 기능을 단말기에 적용하여 relay network, 및 multi-hop 전송을 위한 self-organizing network의 물리계층을 구현 시, 4세대 이후 이동통신 시스템을 위한 CR 및 스마트 라디오 기술에도 활용 가능하다.
또한 본 발명에 따른 송신 스펙트럼 센싱장치가 구비된 디지털 통신 시스템은 별도의 듀플렉서가 필요 없기 때문에 RF 하드웨어 비용을 줄일 수 있고, FDD나 TDD처럼 송신과 수신을 구분할 필요가 없기 때문에 주파수 이용 효율 면에서도 기존의 방식에 비해 이점이 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 스펙트럼 센싱장치가 적용된 송수신 장치의 블록개념도를 나타낸다.
도면에서, 송수신장치는 베이스밴드 모뎀(110), DAC(Digital Analog Converter), 변조부(122), BPF(Band Pass Filter)(123), 증폭기(124), 듀플렉서(140), 안테나(150), ADC(Analog Digital Converter)(125), 복조부(126), 증폭기(128), 이득제어기(131), 간섭 제거부(132), 및 스펙트럼 센싱부(133)를 포함한다.
DAC(Digital Analog Converter), 변조부(122), BPF(Band Pass Filter)(123), 증폭기(124)는 베이스밴드 모뎀(110)의 신호를 듀플렉서(140)를 통해 안테나(150)로 신호를 전송하기 위한 송신부에 해당하며, ADC(Analog Digital Converter)(125), 복조부(126), 증폭기(128)는 안테나(150), 듀플렉서(140)를 통해 인가되는 외부 전파를 수신하는 수신부에 해당한다.
듀플렉서(140)는 출력이 큰 송신측 송신전파가 출력이 작은 수신측 증폭기(128)로 유입되는 것을 최소화하기 위한 것이다. 종래에, FDD의 송수신장치가 IEEE802.22 규격에 따라 송신 주파수 대역을 센싱하고자 할 때, 듀플렉서(140)는 송신전파의 송출 기간의 일부를 센싱에 할당함으로써 송신전파의 전송 효율을 떨어뜨렸다. 본 실시예에서, 듀플렉서(140)는 송신 주파수 대역의 센싱을 위해 전송효율을 감소시키지 않는다. 본 실시예에서 듀플렉서(140)가 전송효율을 감소시키지 않는 이유는 듀플렉서(140) 자체의 특징이 아니라, 후술할 간섭 제거부(132), 및 스펙트럼 센싱부(133)에 의한 것이다.
도면에서, 간섭 제거부(132)는 송신측 증폭기(124)에서 출력되는 송신전파를 기준신호로 하며, 기준신호를 이용하여 안테나(150)와 듀플렉서(140)를 통해 유입되는 송신전파를 제거한다.
간섭 제거부(132)는 이득제어기(131)를 통해 송신 측 증폭기(124)에서 출력되는 송신전파의 출력 이득을 감소시킨 후 수신하고, 듀플렉서(140)를 통해 수신 측으로 향하는 송신전파를 수신한다. 간섭 제거부(132)는 증폭기(124)를 통해 획득한 송신전파와 듀플렉서(140)를 통해 유입된 송신전파를 상쇄시켜 듀플렉서(140)를 통해 유입된 송신전파를 제거한다. 스펙트럼 센싱부(133)는 송신전파가 제거된 후, 듀플렉서(140)를 통해 유입되는 외부 전파의 주파수 스펙트럼을 분석하며, 분석 결과를 이용하여 무선 통신에 적합한 주파수 대역을 판단할 수 있다.
여기서, 간섭 제거부(132), 및 스펙트럼 센싱부(133)는 IEEE802.22에서 규정하는 CR(Cognitive Radio)에 의해 본 실시예에 도시된 송수신 장치가 무선통신을 수행한다는 조건에서 매우 유용하다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 송신 스펙트럼 센싱장치가 적용된 송수신 장치의 블록개념도를 나타낸다.
도 4에 도시된 실시예는 도 3을 통해 설명된 실시예의 단점, 즉, 이득 조절을 위한 이득제어기(도 3의 참조부호 131)를 추가로 필요로 함으로써 송신 스펙트럼 센싱장치가 비 경제적인 단점을 치유하기 위한 특징을 갖는다.
도시된 실시예는, 베이스밴드 모뎀(211), 변조부(212), BPF(213), 증폭 기(214), 듀플렉서(240), 안테나(250), 증폭기(215), 및 ADC(215)를 포함하며, 베이스밴드 모뎀(211)이 듀플렉서(140)를 통해 유입되는 송신전파를 제거하고, 외부전파에 대한 주파수 스펙트럼을 분석하는 신호처리부(220)를 구비한다.
도면에서, 베이스밴드 모뎀(211)의 송신신호를 변조하는 변조부(212), 변조부(212)에서 변조된 신호의 주파수 대역을 필터링하는 BPF(213), 및 BPF의 출력신호를 증폭하여 듀플렉서(240)로 제공하는 증폭기(214)는 송신부에 해당하고, 듀플렉서(240)를 통해 안테나(250)에서 수신된 전파를 증폭하는 증폭기(215), 및 ADC(216)는 수신부에 해당하며, 신호처리부(220)는 수신부의 ADC(216)를 통해 인가되는 신호와, 송신신호를 참조하여 수신부로 유입되는 송신신호를 제거하고, 송신부의 전송 주파수 대역을 판단한다. 베이스밴드 모뎀(210)에 내장되는 신호처리부(220)의 상세 구성은 도 5를 참조하여 설명하도록 한다.
도 5는 도 4에 도시된 신호처리부의 상세 개념도를 나타낸다.
도시된 신호처리부(220)는 디지털 RF부(221), FIR 필터(222), 간섭 제거부(223), 및 스펙트럼 센싱부(224)를 구비한다.
디지털 RF부(221)는 BPS 샘플링 주파수를 적절히 선택하여 여러 주파수 대역을 수신 가능한 기능을 구비한다.
FIR 필터(222)는 다운 컨버트된 수신신호(디지털 무선통신 시스템 (UEk)으로부터 전송되는 신호, 듀플렉서(240)를 통해 유입되는 송신신호를 포함한다.)에서 듀플렉서(140)를 통해 피드백하는 증폭기(214)의 송신신호에 해당하는 주파수를 패 스시키고, 이를 간섭 제거부(223)로 제공한다. 간섭 제거부(223)는 이득이 제어된 송신신호(송신전파에 포함되는 송신신호)를 기준신호(x''(t))로 하며, 기준신호를 이용하여, FIR 필터(222)에서 제공되는 신호에서 송신신호를 제거한다. 스펙트럼 센싱부(224)는 송신신호가 제거된 송신신호에 대한 주파수 스펙트럼을 판단한다.
도 6은 도 5에 도시된 신호처리부의 주파수 처리 방법을 개념적으로 나타낸다.
도면을 참조하면, 먼저 도 6의 (a)는 중심주파수가 ftx인 송신부의 송신신호(x(t))를 나타내고, z(t)는 디지털 무선통신 시스템 (UEk)으로부터 전송되는 신호를 나타내며, y(t)는 frx 대역의 수신신호를 나타낸다.
먼저, 도 6의 (a)를 참조하면, 잡음(noise)의 영향을 무시할 경우, 중심주파수 ftx 대역을 가지는 송신 신호 x(t)와 디지털 무선통신 시스템(UEk)의 송신 신호 z(t), 중심 주파수 frx 대역의 수신신호 y(t) 가 합쳐진 전체 수신신호가 디지털 RF부(221)로 인가된다. 도 6의 (b)는 디지털 RF부(221)에서 fs로 샘플링된 후 각각 중심 주파수 fdt와 fdr 인 x'(t), z'(t), y'(t)로 주파수 변환된 일 예를 나타내고, 도 6의 (c)는 FIR 필터(222)가 중심 주파수 fdt와 fdr로 변환된 신호에서 fdr의 y'(t)를 제거하여 x'(t)+z'(t)가 간섭 제거부(223)로 제공한다. 따라서, 간섭 제거부(223)는 FIR 필터(222)로 부터 제공되는 신호의 신호 전력, 및 bandpass sampling 된 후 신호의 주파수 대역 fdt (0≤fdt <fs)를 고려한 기준신호( x''(t))와 디지털 RF 블록을 거친 신호 x'(t)+z'(t)를 수신한다.
송신 신호가 안테나를 거쳐서 간섭 제거부(223)로 인가될 때, x`(t)=x``(t)가 되어 원하는 z`(t)만을 스펙트럼 센싱부(224)에서 검출할 수 있다. 그러나, x(t)가 임의의 채널을 통과할 경우 x'(t)≠x''(t) 가 되므로 간섭 제거부(223)는 다양한 형태의 적응형 신호처리 기법을 통해서 x'(t)=x''(t)가 되도록 해서 x'(t)가 거친 채널에 대한 영향을 제거하여야 한다.
도 7은 적응형 신호처리 기법을 이용한 간섭 제거부(223)의 일 실시예에 대한 상세 블록개념도를 나타낸다.
본 실시예에 따른 적응형 신호처리 방법은 일정한 신호 처리를 거친 수신 신호 z'(t)+x'(t)와 자체 송신 신호를 이용해서 생성시킨 x''(t)를 비교해서 x'(t)=x''(t)이 될 수 있는 x''(t)를 구할 수 있도록 adaptive FIR filter(222a)의 탭 계수를 적절한 adaptive algorithm(222b)에 의해 계속 업데이트 하도록 한다. 이때 사용되는 알고리즘은 성능이나 복잡도 및 어플리케이션의 용도 등을 고려해서 기존의 문헌에서 나오는 적응형 신호처리 기법을 사용할 수도 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 대한 블록개념도를 나타낸다.
SDR 포럼에서 제시하는 미래의 무선통신 시스템은 안테나 전단까지 디지털 신호처리를 이용하여 소프트웨어적으로 라디오를 구성하는 것이다.
도 8을 참조하면, SDR은 별도의 RF 회로 없이 송수신 신호가 각각 DAC(312) 및 ADC(315)를 거쳐 직접 안테나(311)로 연결된다.
디지털 업-컨버터(up-converter)는 TX 모뎀(314)의 신호를 변조하고 주파수를 높이고, 디지털 다운-컨버터(down-converter)는 수신신호를 복조하고 주파수를 낮춘 후, 간섭 제거부(317)로 제공한다. 간섭 제거부(317)은 도 5와 도 7을 통해 설명된 것과 동일하다. 한편, 본 실시예는 별도의 듀플렉서를 필요로 하지 않는다. 수신단(315, 316, 317, 318)의 간섭제거부(317)는 송신 신호를 미리 알고 있기 때문에 도 7을 통해 설명된 간섭 제거부를 적용하여 수신 신호에서 송신 신호의 신호 성분을 제거한 후 Rx 모뎀(318)에서 원하는 신호만을 추출한다. 이러한 원리를 이용한다면 송신과 동시에 수신이 가능한 통신 방식을 적용할 수 있게 되므로 주파수 및 시간의 효율적 이용이 가능한 장점이 있다.
도 1은 FDD 방식의 일반적인 RF 회로의 구조를 나타내는 도면,
도 2는 송신신호의 파워와 수신신호의 파워 차이를 개념적으로 나타내는 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 스펙트럼 센싱장치가 적용된 송수신 장치의 블록개념도
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 송신 스펙트럼 센싱장치가 적용된 송수신 장치의 블록개념도
도 5는 도 4에 도시된 신호처리부의 상세 개념도,
도 6은 도 5에 도시된 신호처리부의 주파수 처리 방법을 개념적으로 나타내는 도면,
도 7은 적응형 신호처리 기법을 이용한 간섭 제거부의 일 실시예에 대한 상세 블록개념도, 그리고
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 대한 블록개념도를 나타낸다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
110 : 베이스밴드 모뎀 121 : DAC
122 : 변조부 123, 127 : BPF
124, 128 : 증폭기 126 : 복조부
125 : ADC 140 : 듀플렉서
131 : 이득제어기 132 : 간섭 제거부

Claims (6)

  1. 송신부와 안테나 사이에 마련되는 듀플렉서를 통해 상기 송신부의 송신전파를 수신하고, 수신된 송신전파를 토대로 수신부로 유입된 송신전파를 제거하는 간섭 제거부; 및
    상기 수신부를 통해 유입되는 송신 주파수 대역을 판단하는 스펙트럼 센싱부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 송신 스펙트럼 센싱장치.
  2. 듀플렉서를 통해 수신부로 유입되는 송신부의 송신전파, 및 외부전파를 획득하는 디지털 RF부;
    상기 송신전파에 포함되는 신호와 동일한 패턴의 기준신호를 이용하여 상기 수신부를 통해 유입되는 송신신호를 제거하는 간섭 제거부; 및
    상기 수신부로 유입되는 상기 외부전파의 주파수 스펙트럼을 판단하는 스펙트럼 센싱부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 송신 스펙트럼 센싱장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 송신전파에 대해 다운 컨버트된 신호에서 상기 송신부의 송신전파를 추출하는 FIR 필터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 송신 스펙트럼 센싱장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 간섭 제거부는,이득제어기를 통해 상기 송신전파의 출력 이득을 감소시킨 후 상기 기준신호로써 수신하고, 상기 기준신호를 이용하여 상기 FIR 필터로부터 제공되는 신호에서 송신신호를 제거하는 송신 스펙트럼 센싱 장치.
  5. 디지털 업-컨버터(up-converter)로 송신신호를 전송하는 SDR 모뎀; 및
    상기 디지털 업-컨버터로 향하는 상기 송신신호를 기준신호로 이용하여, 수신 측의 디지털 다운 컨버터(down-converter)로 수신되는 신호에 유입된 상기 송신신호를 제거하는 간섭 제거부;를 포함하고,
    상기 간섭 제거부는, 이득제어된 상기 기준신호와 상기 디지털 다운 컨버터로 수신되는 신호에 유입된 상기 송신신호를 상쇄시켜, 상기 디지털 다운 컨버터로 유입되는 상기 송신신호를 제거하는 것을 특징으로 하는 송신 스펙트럼 센싱장치.
  6. 삭제
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