KR101171383B1 - Channel Management Method For Cognitive Radio Sensor Networks - Google Patents

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KR101171383B1
KR101171383B1 KR1020100094493A KR20100094493A KR101171383B1 KR 101171383 B1 KR101171383 B1 KR 101171383B1 KR 1020100094493 A KR1020100094493 A KR 1020100094493A KR 20100094493 A KR20100094493 A KR 20100094493A KR 101171383 B1 KR101171383 B1 KR 101171383B1
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Abstract

본 발명이 해결하려는 과제는 에너지 효율의 향상과 우선 사용자(PU)를 효과적으로 보호하기 위한 인지 무선 센서 네트워크에서 채널 관리 방법을 제공하는 것이다. 본 발명 인지 무선 센서 네트워크에서 채널 관리 방법은, 클러스터 헤드 및 다수의 클러스터 멤버를 포함하는 인지 무선 센서 네트워크에 있어서, 동작채널센싱모드, 백업채널센싱모드, 동작채널변경모드, 백업채널변경모드 및 데이터모드를 상기 인지 무선 센서 네트워크의 동작모드로 분류하는 제1단계; 및 상기 제1단계의 동작모드를 각각의 동작모드 시작전 결정시기에서 채널 센싱 결과의 이력 및 마지막 동작모드를 기반으로 마르코브 결정 방법을 이용하여 적응적으로 결정하는 제2단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 채널 센싱 이력을 기반으로 최적의 동작모드를 결정함으로써, 불필요한 채널 센싱 및 채널 변경을 방지하여 에너지 효율이 향상되는 효과가 있다. 또한, 적절한 시기에 채널 센싱을 수행하므로, 우선 사용자(PU)를 보다 잘 보호할 수 있는 효과가 있다.An object of the present invention is to provide a channel management method in an cognitive wireless sensor network for improving energy efficiency and effectively protecting a user (PU). In the cognitive radio sensor network of the present invention, a channel management method includes an operation channel sensing mode, a backup channel sensing mode, an operation channel change mode, a backup channel change mode, and data in a cognitive radio sensor network including a cluster head and a plurality of cluster members. Classifying a mode into an operation mode of the cognitive wireless sensor network; And a second step of adaptively determining the operation mode of the first step by using the Markov determination method based on the history of the channel sensing result and the last operation mode at the time before the start of each operation mode. It is done. According to the present invention, by determining the optimal operation mode based on the channel sensing history, it is possible to prevent unnecessary channel sensing and channel change, thereby improving energy efficiency. In addition, since channel sensing is performed at an appropriate time, first, there is an effect of better protecting the user (PU).

Description

인지 무선 센서 네트워크에서 채널 관리 방법{Channel Management Method For Cognitive Radio Sensor Networks}Channel Management Method For Cognitive Radio Sensor Networks

본 발명은 인지 무선 센서 네트워크에서 채널 관리 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에너지 효율을 향상시키고 우선 사용자(PU)를 보호하기 위하여 동작모드를 적응적으로 결정하는 인지 무선 센서 네트워크에서 채널 관리 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a channel management method in a cognitive wireless sensor network. More particularly, the present invention relates to a channel management method in a cognitive wireless sensor network in which an operation mode is adaptively determined to improve energy efficiency and protect a user (PU). It is about.

무선 센서 네트워크는 초경량, 저전력의 많은 센서로 구성된 무선 네트워크로써 저비용, 저데이터율의 특성을 가지고 있으며, 대부분의 무선 센서 네트워크는 라이센스가 면제된 대역을 사용한다. 그러나, 상기 대역은 이미 많은 통신 시스템들이 사용하고 있기 때문에 매우 혼잡하여, 무선 센서 네트워크가 사용할 스펙트럼이 부족하다는 문제점이 있었다.Wireless sensor networks are ultra-lightweight, low-power wireless sensors with low cost and low data rates. Most wireless sensor networks use unlicensed bands. However, because the band is already used by many communication systems, there is a problem that the spectrum for the wireless sensor network is insufficient.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 무선 인지(CR) 기술이 고려될 수 있다. 무선 인지 센서 네트워크(이하, 'CRSN'라 한다)는 우선 사용자(이하, 'PU'라 한다)에게 허가 되어 있으나 상기 PU가 사용하지 않는 특정 시간과 특정 영역의 채널을 사용하는 방법이다.In order to solve this problem, radio recognition (CR) technology may be considered. The wireless sensor network (hereinafter, referred to as 'CRSN') is a method of using a channel of a specific time and a specific area that is first authorized by a user (hereinafter, referred to as a 'PU') but is not used by the PU.

즉, PU가 채널을 사용할 특권을 가지고 있으므로, CRSN은 PU의 송신을 방해하지 않아야 한다. 이를 위해, CRSN은 PU의 활동을 검출하기 위해 동작채널을 정기적으로 센싱하고, 만약 CRSN이 채널에서 PU의 존재를 검출하면, CRSN은 가능한 빨리 동작채널을 비어있는 다른 채널(PU에 의해 사용되지 않는 채널)로 변경한다.That is, since the PU has the privilege to use the channel, the CRSN should not interfere with the transmission of the PU. To this end, the CRSN periodically senses the operating channel to detect the activity of the PU, and if the CRSN detects the presence of the PU in the channel, the CRSN can quickly switch the operating channel to another empty channel (not used by the PU). Channel).

또한, CRSN은 새로운 동작채널(비어있는 다른 채널)의 후보채널(또는, 후보 리스트)을 미리 준비하여, 비어있는 다른 채널을 검색하는 시간을 감소시킴으로써 채널을 신속하게 변경할 수 있다. 상기 후보채널을 백업채널이라고 한다.In addition, the CRSN can prepare a candidate channel (or candidate list) of a new operating channel (another empty channel) in advance, and can quickly change a channel by reducing the time for searching for another empty channel. The candidate channel is called a backup channel.

전술된 바와 같이, CRSN은 데이터 송신/수신과 같은 종래의 센서 네트워크의 동작뿐 아니라 채널 센싱과 채널 스위칭과 같은 CR 고유 동작을 수행하여야 하며, 추가적인 CR 고유 동작은 CRSN이 종래의 센서 네트워크보다 더 많은 에너지를 소비하게 만드는 문제점이 있었다.As mentioned above, the CRSN must perform CR specific operations such as channel sensing and channel switching as well as the operation of conventional sensor networks such as data transmission / reception, and additional CR specific operations require that the CRSN be more than conventional sensor networks. There was a problem of consuming energy.

또한, 이러한 에너지 소비는 CRSN의 수명을 단축시키는 문제점이 있었다. 아울러, CRSN에서 에너지의 소비를 감소시키면서 PU를 보호하는 것도 중요한 문제이다.
In addition, this energy consumption has a problem of shortening the life of the CRSN. In addition, it is also important to protect the PU while reducing energy consumption in the CRSN.

종래에 CRSN에서 에너지 효율을 개선시키기 위하여 많은 연구들이 진행되었으며, CRSN에서 에너지를 절약하기 위한 새로운 센싱 구조를 제안하였고, 동작채널에서의 전력과 데이터 송신율을 제어함으로써 에너지 소비를 저감시키기 위한 구조를 제안하였다.In the past, many studies have been conducted to improve energy efficiency in the CRSN, and a new sensing structure for saving energy in the CRSN has been proposed, and a structure for reducing energy consumption by controlling power and data transmission rate in an operating channel is proposed. Suggested.

그러나, 상기 제안된 구조는 특정 동작모드(예를 들어, 채널 센싱이나 데이터 송신)에서만의 에너지 효율에 초점을 맞춘 것으로, 전체 동작모드를 고려하지 않아 에너지 소비를 효과적으로 감소시키지 못하는 문제점이 있었다.However, the proposed structure focuses on energy efficiency only in a specific operation mode (for example, channel sensing or data transmission), and does not consider the entire operation mode, which does not effectively reduce energy consumption.

또한, PU를 효과적으로 보호하지 못하는 문제점이 있었다.In addition, there was a problem that does not effectively protect the PU.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로,The present invention has been made to solve the above problems,

본 발명이 해결하려는 과제는 에너지 효율을 향상시키기 위한 인지 무선 센서 네트워크에서 채널 관리 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a channel management method in a cognitive wireless sensor network for improving energy efficiency.

또한, 본 발명이 해결하려는 과제는 우선 사용자(PU)를 효과적으로 보호하기 위한 인지 무선 센서 네트워크에서 채널 관리 방법을 제공하는 것이다.In addition, an object of the present invention is to provide a channel management method in a cognitive wireless sensor network to effectively protect a user (PU).

또한, 본 발명이 해결하려는 과제는 우선 사용자의 존재여부를 보다 정확하게 예측하기 위한 인지 무선 센서 네트워크에서 채널 관리 방법을 제공하는 것이다.In addition, an object of the present invention is to provide a channel management method in a cognitive radio sensor network to more accurately predict the presence of a user.

인지 무선 센서 네트워크에서 채널 관리 방법은, 클러스터 헤드 및 다수의 클러스터 멤버를 포함하는 인지 무선 센서 네트워크에 있어서, 동작채널센싱모드, 백업채널센싱모드, 동작채널변경모드, 백업채널변경모드 및 데이터모드를 상기 인지 무선 센서 네트워크의 동작모드로 분류하는 제1단계; 및 상기 제1단계의 동작모드를 각각의 동작모드 시작전 결정시기에서 채널 센싱 결과의 이력 및 마지막 동작모드를 기반으로 마르코브 결정 방법을 이용하여 적응적으로 결정하는 제2단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the cognitive wireless sensor network, a channel management method includes an operation channel sensing mode, a backup channel sensing mode, an operation channel changing mode, a backup channel changing mode, and a data mode in a cognitive wireless sensor network including a cluster head and a plurality of cluster members. Categorizing into an operation mode of the cognitive wireless sensor network; And a second step of adaptively determining the operation mode of the first step by using the Markov determination method based on the history of the channel sensing result and the last operation mode at the time before the start of each operation mode. It is done.

또한, 상기 결정시기에서 다음 동작모드가 데이터모드로 결정되면, 상기 클러스터 헤드는 상기 클러스터 멤버에게 송신 스케줄 정보를 통지하고, 상기 클러스터 멤버는 상기 송신 스케줄에 따라 데이터를 상기 클러스터 헤드에게 송신하며, 상기 클러스터 멤버는 상기 데이터 송신 직후 휴지상태가 되고, 상기 클러스터 헤드는 모든 클러스터 멤버로부터 데이터를 수신하면 휴지상태가 되고, 상기 데이터모드 종료시 상기 클러스터 헤드는 활성화 상태가 되어 채널 센싱 결과의 이력 및 마지막 동작모드를 기반으로 다음 동작모드를 적응적으로 결정하는 것을 특징으로 한다.Further, when the next operation mode is determined as the data mode at the determination time, the cluster head notifies the cluster member of the transmission schedule information, the cluster member transmits data to the cluster head according to the transmission schedule, The cluster member is in a dormant state immediately after the data transmission, and the cluster head is in a dormant state when receiving data from all cluster members, and when the data mode ends, the cluster head is in an active state and thus the history and the last operation mode of the channel sensing result. It is characterized in that to adaptively determine the next operation mode based on.

또한, 상기 결정시기에서 다음 동작모드가 동작채널센싱모드로 결정되면, 상기 클러스터 헤드는 동작채널을 센싱하도록 상기 모든 클러스터 멤버에게 명령하며, 상기 클러스터 헤드 및 상기 클러스터 멤버는 상기 동작채널을 센싱하고, 상기 클러스터 멤버는 상기 동작채널의 센싱 결과를 상기 클러스터 헤드에 보고하며, 상기 클러스터 헤드는 상기 동작채널의 센싱 결과를 기반으로 동작채널의 상태를 예측하고, 예측된 동작채널과 백업채널 상태 및 마지막 동작모드를 기반으로 다음 동작모드를 적응적으로 결정하는 것을 특징으로 한다.In addition, when the next operation mode is determined as the operation channel sensing mode at the determination time, the cluster head instructs all the cluster members to sense the operation channel, the cluster head and the cluster member sense the operation channel, The cluster member reports the sensing result of the operation channel to the cluster head, and the cluster head predicts the state of the operation channel based on the sensing result of the operation channel, and predicts the operation channel and the backup channel state and the last operation. It is characterized by adaptively determining the next operation mode based on the mode.

또한, 상기 결정시기에서 다음 동작모드가 백업채널센싱모드로 결정되면, 상기 클러스터 헤드는 백업채널을 센싱하도록 상기 모든 클러스터 멤버에게 명령하며, 상기 클러스터 헤드 및 상기 클러스터 멤버는 상기 백업채널을 센싱하고, 상기 클러스터 멤버는 상기 백업채널의 센싱 결과를 상기 클러스터 헤드에 보고하며, 상기 클러스터 헤드는 상기 백업채널 센싱 결과를 기반으로 백업채널의 상태를 예측하고, 예측된 동작채널과 백업채널 상태 및 마지막 동작모드를 기반으로 다음 동작모드를 적응적으로 결정하는 것을 특징으로 한다.In addition, when the next operation mode is determined as the backup channel sensing mode at the determination time, the cluster head instructs all the cluster members to sense the backup channel, the cluster head and the cluster member sense the backup channel, The cluster member reports the sensing result of the backup channel to the cluster head, and the cluster head predicts the status of the backup channel based on the backup channel sensing result, and predicts the operation channel and the backup channel state and the last operation mode. It is characterized in that to adaptively determine the next operation mode based on.

또한, 상기 결정시기에서 다음 동작모드가 동작채널변경모드로 결정되면, 상기 클러스터 헤드는 새로운 백업채널로서 하나의 채널을 랜덤하게 선택하고, 상기 클러스터 헤드는 새로운 동작채널 및 새로운 백업채널을 센싱하도록 상기 모든 클러스터 멤버에게 명령하며, 상기 클러스터 헤드 및 상기 클러스터 멤버는 백업채널이었던 새로운 동작채널 및 새로운 백업채널을 센싱하고, 상기 클러스터 헤드는 새로운 동작채널에서 동기화를 위한 추가적인 비콘을 송신하며, 상기 클러스터 멤버는 새로운 동작채널과 새로운 백업채널의 센싱 결과 및 동기화를 위한 연결 메시지를 상기 클러스터 헤드로 송신하며, 상기 클러스터 헤드는 상기 연결 메시지에 대응하여 연결 응답 메시지를 상기 클러스터 멤버에게 송신하며, 상기 클러스터 헤드는 상기 새로운 동작채널과 새로운 백업채널의 센싱 결과를 기반으로 새로운 동작채널과 새로운 백업채널의 상태를 예측하고, 예측된 새로운 동작채널과 새로운 백업채널 상태 및 마지막 동작모드를 기반으로 다음 동작모드를 적응적으로 결정하는 것을 특징으로 한다.In addition, when the next operation mode is determined as the operation channel change mode at the determination time, the cluster head randomly selects one channel as a new backup channel, and the cluster head detects the new operation channel and the new backup channel. Instructs all cluster members, the cluster head and the cluster member sense a new operating channel and a new backup channel that were backup channels, the cluster head sends additional beacons for synchronization in the new operating channel, and the cluster member A connection message for sensing and synchronization of a new operation channel and a new backup channel is transmitted to the cluster head, the cluster head sending a connection response message to the cluster member in response to the connection message, and the cluster head new Based on the sensing result of work channel and new backup channel, it predicts the status of new operation channel and new backup channel, and adaptively determines the next operation mode based on the predicted new operation channel, new backup channel status and last operation mode. Characterized in that.

또한, 상기 결정시기에서 다음 동작모드가 백업채널변경모드로 결정되면, 상기 클러스터 헤드는 새로운 백업채널로서 하나의 채널을 랜덤하게 선택하고, 상기 클러스터 헤드는 상기 새로운 백업채널을 센싱하도록 상기 모든 클러스터 멤버에게 명령하며, 상기 클러스터 헤드 및 상기 클러스터 멤버는 상기 새로운 백업채널을 센싱하고, 상기 클러스터 멤버는 상기 새로운 백업채널의 센싱 결과를 상기 클러스터 헤드에 보고하며, 상기 클러스터 헤드는 상기 새로운 백업채널의 센싱 결과를 기반으로 상기 새로운 백업채널의 상태를 예측하고, 예측된 동작채널과 새로운 백업채널 상태 및 마지막 동작모드를 기반으로 다음 동작모드를 적응적으로 결정하는 것을 특징으로 한다.In addition, when the next operation mode is determined as the backup channel change mode at the determination time, the cluster head randomly selects one channel as a new backup channel, and the cluster head selects all the cluster members to sense the new backup channel. And the cluster head and the cluster member sense the new backup channel, the cluster member reports the sensing result of the new backup channel to the cluster head, and the cluster head detects the sensing result of the new backup channel. It predicts the state of the new backup channel on the basis of, and adaptively determine the next operation mode based on the predicted operation channel, the new backup channel state and the last operation mode.

또한, 상기 결정시기에서 동작채널센싱모드, 백업채널센싱모드, 동작채널변경모드 또는 백업채널변경모드로 결정되면, 채널 센싱을 통해 측정된 채널에 대한 통계값을 복수의 레벨로 양자화하여 우선 사용자(PU)의 존재를 판단하는 것을 특징으로 하며, 상기 통계값은 클러스터 헤드 및 클러스터 멤버로부터 수신된 에너지의 합을 잡음 스펙트럼 밀도로 나눈 값인 것을 특징으로 한다.In addition, when it is determined that the operation channel sensing mode, the backup channel sensing mode, the operation channel changing mode, or the backup channel changing mode is determined at the determination time, the user may first quantize the statistical values for the channels measured through the channel sensing to a plurality of levels. And the statistical value is a value obtained by dividing the sum of the energy received from the cluster head and the cluster member by the noise spectral density.

또한, 상기 클러스터 헤드는 결정시기에서 모든 동작모드 중 하나를 선택하고, 선택된 동작모드를 클러스터 멤버에게 통지하는 것을 특징으로 한다.The cluster head may select one of all operation modes at the time of determination, and notify the cluster member of the selected operation mode.

또한, 상기 결정시기는, 채널 센싱을 통해 얻은 통계값을 기반으로 각 채널에서 우선 사용자가 존재할 확률을 산출하고, 상기 우선 사용자가 존재할 확률을 기반으로 정보벡터를 산출하며, 상기 정보벡터, 동작모드 및 관찰 프로세스를 기반으로 업데이트된 정보벡터를 산출하는 것을 특징으로 한다.The determination time may be calculated based on a statistical value obtained through channel sensing, calculating a probability that a user exists first in each channel, and calculating an information vector based on a probability that the user exists first. And calculating the updated information vector based on the observation process.

또한, 상기 결정시기는, 상기 업데이트된 정보벡터를 기반으로 동작모드를 적응적으로 결정하기 위하여 최적값 함수를 산출하는 것을 특징으로 한다.In addition, the determination time is characterized in that for calculating the optimum value function to adaptively determine the operation mode based on the updated information vector.

또한, 상기 결정시기는, 상기 최적값 함수를 기반으로 정책함수를 유도하고, 상기 정책함수를 사용하여 동작모드를 적응적으로 결정하는 것을 특징으로 한다.In addition, the decision timing may be derived from a policy function based on the optimum value function, and adaptively determines an operation mode using the policy function.

본 발명에 의하면, 채널 센싱 이력을 기반으로 최적의 동작모드를 결정함으로써, 불필요한 채널 센싱 및 채널 변경을 방지하여 에너지 효율이 향상되는 효과가 있다.According to the present invention, by determining the optimal operation mode based on the channel sensing history, it is possible to prevent unnecessary channel sensing and channel change, thereby improving energy efficiency.

또한, 적절한 시기에 채널 센싱을 수행하므로, 우선 사용자(PU)를 보다 잘 보호할 수 있는 효과가 있다.In addition, since channel sensing is performed at an appropriate time, first, there is an effect of better protecting the user (PU).

또한, 최적의 동작모드 결정시 모든 동작모드를 고려함으로써, 에너지 효율이 보다 향상되고 우선 사용자(PU)를 더욱 잘 보호할 수 있는 효과가 있다.In addition, by considering all the operation modes when determining the optimal operation mode, the energy efficiency is improved and the user (PU) can be better protected first.

또한, 채널 센싱 결과를 복수의 레벨로 양자화하여 우선 사용자(PU)의 존재여부를 판단하므로, 채널상에서 우선 사용자(PU)의 존재여부를 보다 정확하게 예측할 수 있는 효과가 있다.In addition, since the presence of the user PU is first determined by quantizing the channel sensing result to a plurality of levels, the presence of the user PU on the channel can be more accurately predicted.

도 1은 본 발명의 일 실시예를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 의한 우선 사용자(PU)의 방해율을 도시한 그래프.
도 3은 본 발명에 의한 에너지 소비율을 도시한 그래프.
1 illustrates an embodiment of the present invention.
2 is a graph showing the disturbance rate of the preferred user (PU) according to the present invention.
Figure 3 is a graph showing the energy consumption rate according to the present invention.

이하, 본 발명 인지 무선 센서 네트워크에서 채널 관리 방법의 바람직한 일 실시예에 대하여 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
Hereinafter, a preferred embodiment of a channel management method in a cognitive wireless sensor network according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.

본 발명 인지 무선 센서 네트워크에서 채널 관리 방법은, 클러스터 헤드 및 다수의 클러스터 멤버를 포함하는 인지 무선 센서 네트워크에 있어서, 동작채널센싱모드, 백업채널센싱모드, 동작채널변경모드, 백업채널변경모드 및 데이터모드를 상기 인지 무선 센서 네트워크의 동작모드로 분류하는 제1단계; 및 상기 제1단계의 동작모드를 각각의 동작모드 시작전 결정시기에서 채널 센싱 결과의 이력 및 마지막 동작모드를 기반으로 마르코브 결정 방법을 이용하여 적응적으로 결정하는 제2단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
In the cognitive radio sensor network of the present invention, a channel management method includes an operation channel sensing mode, a backup channel sensing mode, an operation channel change mode, a backup channel change mode, and data in a cognitive radio sensor network including a cluster head and a plurality of cluster members. Classifying a mode into an operation mode of the cognitive wireless sensor network; And a second step of adaptively determining the operation mode of the first step by using the Markov determination method based on the history of the channel sensing result and the last operation mode at the time before the start of each operation mode. It is done.

본 발명에서 인지 무선 센서 네트워크(이하 'CRSN'이라 한다)는 IEEE 802.15.4 성형 토폴로지 네트워크에서와 같이 하나의 클러스테 헤드(이하, 'CH'라 한다)와 (N-1)개의 클러스터 멤버로 구성된다. 여기에는 M개의 채널들이 있으며, 상기 채널은 동일한 대역폭 B를 가지고 있다. In the present invention, the cognitive wireless sensor network (hereinafter referred to as 'CRSN') is composed of one cluster head (hereinafter referred to as 'CH') and (N-1) cluster members as in the IEEE 802.15.4 shaping topology network. It is composed. There are M channels, which have the same bandwidth B.

모든 채널은 동일한 우선 사용자(이하, 'PU'라 한다)를 가지고 있으며, 상기 채널에서 PU가 전송을 하는 활동 상태와 PU가 전송하지 않는 비활동 상태가 교대로 나타난다. 채널에서 PU의 활동(비활동) 기간(Duration)은 평균 1/λ(1/μ)로 지수적으로 분포한다. 따라서, 랜덤하게 선택된 채널이 비어있을 확률(P2)은 μ/(λ+μ)이다.
All channels have the same priority user (hereinafter, referred to as 'PU'), and the active state that the PU transmits and the inactive state that the PU does not transmit alternately appear in the channel. The active (inactive) duration of the PU in the channel is distributed exponentially with an average of 1 / λ (1 / μ). Therefore, the probability P 2 that the randomly selected channel is empty is μ / (λ + μ).

PU가 검출되지 않는 채널을 동작채널이라고 하며, CRSN은 동작채널에서 동작한다. 또한, PU가 검출되지 않는 다른 채널을 백업채널이라고 하며, CRSN은 백업채널을 관리한다. The channel where the PU is not detected is called an operation channel, and the CRSN operates in the operation channel. In addition, another channel for which no PU is detected is called a backup channel, and the CRSN manages the backup channel.

또한, CRSN의 모든 동작모드는 5가지의 모드로 분류되며, 상기 동작모드는 데이터를 송신/수신하는 데이터모드(DATA), 동작채널을 센싱하는 동작채널센싱모드(SO), 백업채널을 센싱하는 백업채널센싱모드(SB), 동작채널을 백업채널으로 변경하는 동작채널변경모드(CO) 및 백업채널을 다른 백업채널으로 변경하는 백업채널변경모드(CB)를 포함한다. 상기 동작모드의 길이는 LDATA, LSO, LSB, LCO 및 LCB 라고 표시한다.In addition, all operation modes of the CRSN are classified into five modes. The operation mode includes a data mode (DATA) for transmitting / receiving data, an operation channel sensing mode (SO) for sensing an operation channel, and a backup channel. The backup channel sensing mode SB, the operation channel change mode CO for changing the operation channel to the backup channel, and the backup channel change mode CB for changing the backup channel to another backup channel are included. The length of the operation mode is indicated as L DATA , L SO , L SB , L CO and L CB .

채널 시간은 프레임들로 분할되며, 각 프레임은 비콘(Beacon)으로 시작한다. 각 프레임의 시작시에, 즉 결정시기에서 CH는 5가지 동작모드 중에서 하나의 동작모드를 결정하며 결정된 동작모드를 비콘을 통해 클러스터 멤버에게 통지한다. 프레임 길이는 선택된 동작모드의 길이와 동일하다. 따라서, 프레임 길이는 선택된 동작모드에 따라 가변적이다.
Channel time is divided into frames, each frame starting with a beacon. At the start of each frame, i.e. at the time of decision, the CH determines one of the five modes of operation and notifies the cluster member via the beacon of the determined mode of operation. The frame length is equal to the length of the selected operation mode. Thus, the frame length is variable depending on the selected operation mode.

이하, 본 발명의 각 동작모드에서 수행하는 작업에 대하여 상세하게 설명하면 아래와 같다.
Hereinafter, the operation performed in each operation mode of the present invention will be described in detail.

각 결정시기에서 CH는 5가지 동작모드[데이터모드(DATA), 동작채널센싱모드(SO), 백업채널센싱모드(SB), 동작채널변경모드(CO), 백업채널변경모드(CB)] 중 하나를 결정하고, 상기 결정된 동작모드를 비콘(Beacon)을 통해 클러스터 멤버에게 통지한다.
At each decision time, CH is selected from five operation modes (data mode (DATA), operation channel sensing mode (SO), backup channel sensing mode (SB), operation channel change mode (CO) and backup channel change mode (CB)). One is determined and the cluster member is notified of the determined operation mode through a beacon.

상기 결정시기에서 다음 동작모드가 동작채널센싱모드(SO)로 결정되면, 상기 동작채널센싱모드(SO)에서 CH는 동작채널을 센싱하도록 모든 클러스터 멤버에게 명령하며, CH 및 모든 클러스터 멤버는 동작채널을 센싱한다. 상기 클러스터 멤버는 센싱한 결과를 CH에 보고한다. 상기 센싱은 동작채널에 PU의 존재여부를 검출하는 것이다.When the next operation mode is determined as the operation channel sensing mode SO at the determination time, in the operation channel sensing mode SO, the CH instructs all cluster members to sense the operation channel, and the CH and all cluster members are operating channels. Sensing. The cluster member reports the sensing result to the CH. The sensing is to detect the presence of the PU in the operation channel.

그 후, CH는 보고된 동작채널 센싱 결과를 기반으로 동작채널의 상태를 예측하고, 상기 동작채널 센싱 결과, 예측된 동작채널 상태 및 마지막 동작모드를 기반으로 다음 동작모드를 적응적으로 결정한다.Thereafter, the CH predicts the operation channel state based on the reported operation channel sensing result, and adaptively determines the next operation mode based on the operation channel sensing result, the predicted operation channel state, and the last operation mode.

이때, 부분적 관찰 가능한 마르코브 결정 방법(이하, 'POMDP'라 한다)을 이용하여 다음 동작모드를 적응적으로 결정한다.
At this time, the next operation mode is adaptively determined using a partially observable Markov determination method (hereinafter, referred to as 'POMDP').

상기 결정시기에서 다음 동작모드가 백업채널센싱모드(SB)로 결정되면, 상기 백업채널센싱모드(SB)에서 CH는 백업채널을 센싱하도록 모든 클러스터 멤버에게 명령하며, CH 및 모든 클러스터 멤버는 백업채널을 센싱한다. 상기 클러스터 멤버는 센싱한 결과를 CH에 보고한다. 상기 센싱은 백업채널에 PU의 존재여부를 검출하는 것이다.If the next operation mode is determined as the backup channel sensing mode (SB) at the determination time, in the backup channel sensing mode (SB), the CH instructs all cluster members to sense a backup channel, and the CH and all cluster members are backup channels. Sensing. The cluster member reports the sensing result to the CH. The sensing is to detect the presence of a PU in the backup channel.

그 후, CH는 보고된 백업채널 센싱 결과를 기반으로 백업채널의 상태를 예측하고, 상기 백업채널 센싱 결과, 예측된 백업채널 상태 및 마지막 동작모드를 기반으로 다음 동작모드를 적응적으로 결정한다. 이때, POMDP를 이용하여 다음 동작모드를 적응적으로 결정한다.
Thereafter, the CH predicts the state of the backup channel based on the reported backup channel sensing result, and adaptively determines the next operation mode based on the backup channel sensing result, the predicted backup channel state, and the last operation mode. At this time, the next operation mode is adaptively determined using the POMDP.

상기 결정시기에서 다음 동작모드가 백업채널변경모드(CB)로 결정되면, 상기 백업채널변경모드(CB)에서 CH는 새로운 백업채널로서 하나의 채널을 랜덤하게 선택하며 상기 새로운 채널을 센싱하도록 클러스터 멤버에게 명령한다.If the next operation mode is determined as the backup channel change mode (CB) at the determination time, in the backup channel change mode (CB), the CH randomly selects one channel as a new backup channel and senses the new channel. Command.

CH 및 클러스터 멤버는 새로운 백업채널을 센싱하고, 상기 클러스터 멤버는 센싱 결과를 CH에 보고한다. 상기 센싱은 새로운 백업채널에 PU의 존재여부를 검출하는 것이다.The CH and the cluster member sense the new backup channel, and the cluster member reports the sensing result to the CH. The sensing is to detect the presence of a PU in a new backup channel.

그 후, CH는 보고된 백업채널 센싱 결과를 기반으로 백업채널의 상태를 예측하고, 상기 새로운 백업채널 센싱 결과, 예측된 새로운 백업채널 상태 및 마지막 동작모드를 기반으로 다음 동작모드를 적응적으로 결정한다. 이때, POMDP를 이용하여 다음 동작모드를 적응적으로 결정한다.
Thereafter, the CH predicts the state of the backup channel based on the reported backup channel sensing result, and adaptively determines the next operation mode based on the new backup channel sensing result, the predicted new backup channel state and the last operation mode. do. At this time, the next operation mode is adaptively determined using the POMDP.

상기 결정시기에서 다음 동작모드가 데이터모드(DATA)로 결정되면, 상기 데이터모드(DATA)에서 CH는 비콘(Beacon)을 통하여 클러스터 멤버에게 송신 스케줄 정보를 통지하고, 상기 클러스터 멤버는 상기 송신 스케줄에 따라 데이터를 상기 CH에게 송신한다. 상기 클러스터 멤버는 데이터의 송신 직후 휴지상태가 되며, 상기 CH는 모든 클러스터 멤버로부터 데이터를 수신하면 휴지상태가 된다.When the next operation mode is determined to be the data mode DATA at the determination time, in the data mode DATA, the CH notifies the cluster member of the transmission schedule information through a beacon, and the cluster member transmits to the transmission schedule. Accordingly, data is transmitted to the CH. The cluster member is in a dormant state immediately after data transmission, and the CH is in a dormant state when receiving data from all cluster members.

상기 데이터모드(DATA)의 종료시 상기 클러스터 헤드는 활성화 상태(Wake Up)가 되어 채널 센싱 결과의 이력 및 마지막 동작모드를 기반으로 다음 동작모드를 적응적으로 결정한다. 이때, POMDP를 이용하여 다음 동작모드를 적응적으로 결정한다.
At the end of the data mode DATA, the cluster head enters the wake up state to adaptively determine a next operation mode based on the history of the channel sensing result and the last operation mode. At this time, the next operation mode is adaptively determined using the POMDP.

상기 결정시기에서 다음 동작모드가 동작채널변경모드(CO)로 결정되면, 상기 동작채널변경모드(CO)에서 CH 및 상기 클러스터 멤버는 백업채널이었던 새로운 동작채널과 CH에 의해 랜덤하게 선택된 새로운 백업채널을 모두 센싱한다.When the next operation mode is determined as the operation channel change mode CO at the determination time, in the operation channel change mode CO, the CH and the cluster member are the new operation channel which was the backup channel and a new backup channel randomly selected by the CH. Sensing them all.

또한, CRSN이 새로운 채널에서 동작할때, CH와 모든 클러스터 멤버는 새로이 연결되어야 한다. 즉, CH는 새로운 동작채널에서 동기화를 하기 위해 추가적인 비콘(Beacon)을 송신하며, 클러스터 멤버는 성공적인 연결을 통지하기 위해 연결 메시지를 상기 CH로 송신하고, 동시에 상기 클러스터 멤버는 새로운 동작채널과 새로운 백업채널의 센싱 결과를 상기 CH로 송신한다.In addition, when the CRSN operates on a new channel, the CH and all cluster members must be newly connected. That is, the CH sends an additional Beacon to synchronize on the new operating channel, the cluster member sends a connection message to the CH to notify of successful connection, while the cluster member sends a new operating channel and a new backup The sensing result of the channel is transmitted to the CH.

상기 CH는 클러스터 멤버와 연결 확인을 위하여, 상기 연결 메시지와 대응하여 연결 응답 메시지를 상기 클러스터 멤버에 송신하여 동기화를 완료한다.The CH completes synchronization by sending a connection response message to the cluster member in response to the connection message to confirm the connection with the cluster member.

동기화 후, CH는 상기 새로운 동작채널과 새로운 백업채널의 센싱 결과, 예측된 새로운 동작채널과 새로운 백업채널의 상태 및 마지막 동작모드를 기반으로 다음 동작모드를 적응적으로 결정한다. 만일, 다음 동작모드가 동작채널변경모드(CO)가 아니면 상기 새로운 동작채널에서 동작한다. 이때, POMDP를 이용하여 다음 동작모드를 결정한다.
After synchronization, the CH adaptively determines the next operation mode based on the sensing results of the new operation channel and the new backup channel, the state of the predicted new operation channel and the new backup channel, and the last operation mode. If the next operation mode is not the operation channel change mode CO, it operates in the new operation channel. At this time, the next operation mode is determined using POMDP.

이하, [도 1]에 의거하여, 채널상에서 본 발명의 동작상태에 대하여 상세하게 설명한다.
Hereinafter, the operation state of this invention on a channel is demonstrated in detail based on [FIG. 1].

동작채널(Operation channel)에서 데이터를 송수신하기 전, 백업채널(Backup channel)을 선택한다. 즉, 백업채널센싱모드(SB)에서 CH 및 클러스터 멤버는 백업채널을 센싱하고, 상기 CH는 상기 센싱 결과를 기반으로 다음 동작모드를 결정한다. [도 1]에서는 상기 센싱 결과에서 이전 백업채널(Old backup channel)에서 PU가 검출되었으므로, 결정시기에서 다음 동작모드로 백업채널을 변경하기 위한 백업채널변경모드(CO)로 결정한다.
Before transmitting and receiving data in an operation channel, a backup channel is selected. That is, in the backup channel sensing mode SB, the CH and the cluster member sense the backup channel, and the CH determines the next operation mode based on the sensing result. In FIG. 1, since the PU is detected in the previous backup channel from the sensing result, the PU determines the backup channel change mode CO for changing the backup channel to the next operation mode at the determination time.

백업채널변경모드(CO)에서 CH는 백업채널을 센싱하도록 상기 모든 클러스터 멤버에게 명령하고, 상기 클러스터 멤버는 상기 백업채널 센싱 후, 백업채널의 센싱 결과를 상기 CH에 전송하며, 상기 CH는 상기 백업채널 센싱 결과를 기반으로 백업채널의 상태를 예측하여, 새로운 백업채널을 선택한다. In the backup channel change mode (CO), the CH instructs all the cluster members to sense the backup channel, the cluster member sends the sensing result of the backup channel to the CH after sensing the backup channel, and the CH sends the backup. A new backup channel is selected by predicting the status of the backup channel based on the channel sensing result.

[도 1]에 도시된 바와 같이 백업채널변경모드(CO)에서 새로운 백업채널(Backup channel)이 선택되었으며, 백업채널 선택 후 상기 백업채널 센싱 결과, 예측된 백업채널 상태 및 마지막 동작모드를 기반으로 다음 동작모드를 적응적으로 결정한다. [도 1]에서는 다음 동작모드로 데이터모드(DATA)가 결정되었다.
As shown in FIG. 1, a new backup channel is selected in the backup channel change mode CO, and based on the backup channel sensing result, the predicted backup channel state and the last operation mode after the backup channel is selected. Adaptively determine the next mode of operation. In FIG. 1, the data mode DATA is determined as the next operation mode.

데이터모드(DATA)에서는 CH는 상기 클러스터 멤버에게 송신 스케줄 정보를 통지하고, 상기 클러스터 멤버는 상기 송신 스케줄에 따라 데이터를 상기 CH에게 송신하며, 상기 클러스터 멤버는 상기 데이터 송신 직후 휴지상태가 되고, 상기 CH는 모든 클러스터 멤버로부터 데이터를 수신하면 휴지상태가 되고, 상기 데이터모드 종료시 상기 클러스터 헤드는 활성화 상태가 되어 채널 센싱 결과의 이력 및 마지막 동작모드를 기반으로 다음 동작모드를 적응적으로 결정한다. [도 1]에서는 다음 동작모드로 동작채널센싱모드(SO)가 결정되었다.
In the data mode DATA, the CH notifies the cluster member of transmission schedule information, the cluster member transmits data to the CH according to the transmission schedule, and the cluster member is idle immediately after the data transmission. The CH enters a dormant state when receiving data from all cluster members, and upon termination of the data mode, the cluster head is activated to adaptively determine the next operation mode based on the history of the channel sensing result and the last operation mode. In FIG. 1, the operation channel sensing mode SO is determined as the next operation mode.

동작채널센싱모드(SO)에서는 상기 CH는 동작채널을 센싱하도록 상기 모든 클러스터 멤버에게 명령하고, 상기 클러스터 멤버는 상기 동작채널 센싱 후, 동작채널의 센싱 결과를 상기 CH에 보고하며, 상기 CH는 상기 동작채널의 센싱 결과를 기반으로 동작채널의 상태를 예측한다. [도 1]에서는 상기 동작채널에 PU가 존재하는 것으로 검출되었으므로, 다음 동작모드로 동작채널변경모드(CO)로 결정되었다.
In the operation channel sensing mode (SO), the CH instructs all the cluster members to sense the operation channel, the cluster member reports the sensing result of the operation channel to the CH after sensing the operation channel, and the CH The state of the operating channel is predicted based on the sensing result of the operating channel. In FIG. 1, since it is detected that the PU exists in the operation channel, it is determined as the operation channel change mode CO as the next operation mode.

따라서, 백업채널이었던 채널이 새로운 동작채널이 되며, 동작채널변경모드(CO)에서는 상기 클러스터 헤드 및 상기 클러스터 멤버는 백업채널이었던 새로운 동작채널 및 새로운 백업채널을 센싱하고, 상기 클러스터 헤드는 새로운 동작채널에서 동기화를 위한 추가적인 비콘을 송신하며, 상기 클러스터 멤버는 새로운 동작채널과 새로운 백업채널의 센싱 결과 및 동기화를 위한 연결 메시지를 상기 클러스터 헤드로 송신하며, 상기 클러스터 헤드는 상기 연결 메시지에 대응하여 연결 응답 메시지를 상기 클러스터 멤버에게 송신하고, 상기 클러스터 헤드는 상기 새로운 동작채널과 새로운 백업채널의 센싱 결과를 기반으로 새로운 동작채널과 새로운 백업채널의 상태를 예측한다.Therefore, the channel that was the backup channel becomes a new operation channel, and in the operation channel change mode CO, the cluster head and the cluster member sense the new operation channel and the new backup channel that were the backup channel, and the cluster head receives the new operation channel. Transmits additional beacons for synchronization, the cluster member transmits a sensing result of a new operation channel and a new backup channel and a connection message for synchronization to the cluster head, and the cluster head responds to the connection message in response to the connection message. A message is sent to the cluster member, and the cluster head predicts a state of a new operation channel and a new backup channel based on the sensing result of the new operation channel and the new backup channel.

즉, 새로운 동작채널에서 PU의 존재하는 것으로 검출되면 다음 동작모드로 동작채널변경모드(CO)가 결정되고, PU가 존재하지 않는 것으로 검출되면 다음 동작모드로 동작채널변경모드(CO)를 제외한 동작모드가 결정된다.That is, when it is detected that the PU exists in the new operation channel, the operation channel change mode CO is determined as the next operation mode, and when it is detected that the PU does not exist, operation except the operation channel change mode CO as the next operation mode. The mode is determined.

또한, 상기 새로운 백업채널에 PU가 존재하는지 여부에 따라 백업채널이 결정된다. 따라서, 상기 동작채널변경모드(CO)에서 센싱된 결과에 따라 새로운 동작채널, 새로운 백업채널 및 다음 동작상태가 결정된다.
In addition, a backup channel is determined according to whether a PU exists in the new backup channel. Therefore, a new operation channel, a new backup channel, and a next operation state are determined according to the result of sensing in the operation channel change mode CO.

[도 1]은 본 발명의 일 실시예를 도시한 것으로, 본 발명은 채널의 상태에 따라 다양한 실시예를 구현할 수 있다.
1 illustrates an embodiment of the present invention, and the present invention can be implemented in various embodiments according to the state of a channel.

이하, 채널에서 PU를 검출하는 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
Hereinafter, a method of detecting a PU in a channel will be described in detail.

상기 동작채널센싱모드(SO), 백업채널센싱모드(SB), 동작채널변경모드(CO) 및 백업채널변경모드(CB)에서 채널 센싱을 통해 측정된 채널에 대한 통계값을 복수의 레벨로 양자화하여 우선 사용자(PU)의 존재를 판단하는 것을 특징으로 하며, 상기 통계값은 클러스터 헤드 및 클러스터 멤버로부터 수신된 에너지의 합을 잡음 스펙트럼 밀도로 나눈 값인 것을 특징으로 한다.
In the operation channel sensing mode SO, the backup channel sensing mode SB, the operation channel change mode CO, and the backup channel change mode CB, the statistical values of the channels measured through channel sensing are quantized to a plurality of levels. First, the existence of the user PU is determined, and the statistical value is a value obtained by dividing the sum of the energy received from the cluster head and the cluster member by the noise spectral density.

즉, CH가 동작모드로 동작채널센싱모드(SO), 백업채널센싱모드(SB), 동작채널변경모드(CO), 백업채널변경모드(CB)를 선택하면, CH는 비콘(Beacon)을 통해 센싱 시작시간과 센싱 기간을 클러스터 멤버에 통지한다. 그 후, CH 및 클러스터 멤버는 주어진 센싱 시간동안 타겟채널(동작채널이나 백업채널)에서 수신된 에너지를 측정하며 클러스터 멤버들은 상기 측정 결과(즉, 수신된 에너지)를 CH에 보고한다. That is, when the CH selects the operation channel sensing mode (SO), the backup channel sensing mode (SB), the operation channel change mode (CO), the backup channel change mode (CB) as the operation mode, the CH through the beacon (Beacon) Notify the cluster member of the sensing start time and sensing period. The CH and cluster members then measure the energy received on the target channel (operation channel or backup channel) for a given sensing time and the cluster members report the measurement result (ie, the received energy) to the CH.

상기 측정 결과는 다음 프레임의 동작모드를 결정하는데 사용되는 것이기 때문에, 상기 측정 결과는 측정이 수행되는 프레임 내에서 송신되어야 한다. 이를 위해 CH는 동일한 프레임내에서 탐색한 직후 보고할 수 있도록 각 클러스터 멤버에게 송신 시간을 할당한다.
Since the measurement result is used to determine the operation mode of the next frame, the measurement result should be transmitted within the frame in which the measurement is performed. To this end, the CH allocates a transmission time to each cluster member so that it can report immediately after searching within the same frame.

CH는 모든 클러스터 멤버로부터 수신받은 에너지의 합을 잡음 스펙트럼 밀도로 나누어 통계값(Statistic)을 산출한다. 여기서, st (m)를 (t-1)번째 프레임에서 센싱기간(Ts)동안 측정된 채널(m)에 대한 테스트 통계값이라 한다. 채널(m)이 비어 있다는 가정(H0) 하에, st (m)의 확률 밀도 함수(pdf)는 2BTsN의 자유도를 갖는 카이-제곱(chi-square) 분포이다. PU가 채널(m)에 존재한다는 가정(H1) 하에, st (m)는 2BTsN의 자유도와 비중심 파라미터(E/N0, E는 클러스터 멤버에 의해 수신된 PU 신호 에너지의 합이며, N0는 잡음 스펙트럼 밀도이다)를 갖는 비중심 카이-제곱 분포를 따른다.The CH divides the sum of the energy received from all cluster members by the noise spectral density to produce a statistical value. Here, s t (m) is referred to as a test statistic value for the channel m measured during the sensing period T s in the (t-1) th frame. Under the assumption that channel m is empty (H 0 ), the probability density function (pdf) of s t (m) is a chi-square distribution with a degree of freedom of 2BT s N. Under the assumption (H 1 ) that the PU is in channel m, s t (m) is the sum of the freedom of 2BT s N and the non-central parameters E / N 0 , E is the sum of the PU signal energy received by the cluster members. , N 0 is the noise spectral density).

또한, POMDP 구조에서 연속 랜덤 변수 st (m)를 보다 용이하게 처리하기 위해, st (m)의 값을 k개의 레벨로 양자화한다. 이를 위해, (k+1)개의 임계값, 즉 γ0, ..., γk를 도입하며, 여기서 γ0 < γ1 < ... k 이고, γ0 = -∞ 이고, γk = +∞ 이다.In addition, in order to more easily process the continuous random variable s t (m) in the POMDP structure, the value of s t (m) is quantized to k levels. To do this, we introduce (k + 1) thresholds, γ 0 , ..., γ k , where γ 01 <... <gamma k , gamma 0 = -∞, gamma k = + ∞.

여기서, ot (m)을 st (m)의 양자화된 값이라고 하고, k = 1, 2, ... ,k 에 대해, 만일 γk-1 < st (m) < γk 라면, ot (m) = k 이다. 또한, 아래와 같은 조건적 확률을 한정할 수 있다.Where o t (m) is the quantized value of s t (m) , and for k = 1, 2, ..., k, if γ k-1 <s t (m)k , o t (m) = k. In addition, the following conditional probabilities may be limited.

Figure 112010062885509-pat00001
Figure 112010062885509-pat00001

Figure 112010062885509-pat00002
Figure 112010062885509-pat00002

υ0(k)와 υ1(k)는 st (m)의 pdf를 가지고 용이하게 계산될 수 있다.
ν 0 (k) and υ 1 (k) can be easily calculated with pdf of s t (m) .

이하, POMDP를 이용하여 동작모드를 적응적으로 결정하는 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
Hereinafter, a method of adaptively determining an operation mode using the POMDP will be described in detail.

본 발명에서는 동작모드를 적응적으로 결정할 때 정보의 불확실성을 허용하는 POMDP 구조를 사용한다. CRSN에서 동작채널과 백업채널의 상태를 정확하게 판단을 할 수 없고, 단지 채널 센싱의 결과에 기초하여 PU가 동작채널이나 백업채널에 존재하는지를 단지 추측만 할 수 있기 때문이다.
The present invention uses a POMDP structure that allows for uncertainty of information when adaptively determining the operation mode. This is because the CRSN cannot accurately determine the state of the operation channel and the backup channel, and can only speculate whether the PU exists in the operation channel or the backup channel based on the result of channel sensing.

먼저, POMDP의 구조에 대하여 설명하면, 코어 프로세스(Xt)의 상태는 결정시기 t에서 동작채널과 백업채널의 상태를 나타낸다. 여기서, 동작채널을 '1'으로 표시하고 백업채널을 '2'로 표시한다. 따라서, Xt = (xt (1), xt (2))이고, 여기서 xt (m) = 0 이라는 것은 채널(m)이 비어 있는 것을 의미하고, xt (m) = 1 이라는 것은 채널(m)에 PU가 존재한다는 것을 나타낸다.
First, the structure of the POMDP will be described. The state of the core process X t indicates the state of the operation channel and the backup channel at the determination time t. Here, the operation channel is displayed as '1' and the backup channel is displayed as '2'. Thus, X t = (x t (1) , x t (2) ), where x t (m) = 0 means that channel (m) is empty, and x t (m) = 1 It indicates that a PU exists in channel m.

액션(At)은 결정시기 t에서 CH에 의해 결정된 동작모드를 나타내며, A는 실행가능한 모든 동작모드의 집합을 나타낸다. 즉, A = {DATA, SO, SB, CO, CB}이고, At = A이다. (DATA는 데이터모드, SO는 동작채널센싱모드, SB는 백업채널센싱모드, CO는 동작채널변경모드, CB는 백업채널변경모드이다.)
Action A t represents the operation mode determined by CH at decision time t, and A represents the set of all operable modes of operation. That is, A = {DATA, SO, SB, CO, CB} and A t = A. (DATA is the data mode, SO is the operating channel sensing mode, SB is the backup channel sensing mode, CO is the operating channel changing mode, and CB is the backup channel changing mode.)

코어 프로세스의 전이 확률(P)는 액션(a)이 취해질 때, 코어 프로세스의 전이 확률 매트릭스는 P(a)=[p(i,j)(i',j')(a)] 이 되고, 여기서 p(i,j)(i',j')(a)=Pr{Xt+1 =(i',j')│Xt=(i,j), At = a} 이 된다. 전이 확률 p(i,j)(i',j')(a)은 다음 2개의 확률을 사용하여 계산될 수 있다. 즉, 액션(a)이 취해질 때, ui,i'(a)는 상태(i)로부터 상태(i')로 채널이 전이할 확률이며, wi(a)는 결정시기에서 랜덤하게 결정된 채널이 그 다음 결정시기 직전에 상태(i)에 있을 확률을 나타낸다.The transition probability P of the core process becomes P (a) = [p (i, j) (i ', j') (a)] when the action (a) is taken, Where p (i, j) (i ', j') (a) = Pr {X t + 1 = (i ', j') | X t = (i, j), A t = a}. The transition probability p (i, j) (i ', j') (a) can be calculated using the following two probabilities. That is, when action (a) is taken, u i, i ' (a) is the probability that the channel transitions from state (i) to state (i'), and w i (a) is a channel randomly determined at decision time. The probability of being in state (i) immediately before this next decision.

그러면, u0,0(a)=e-λLa , u0,1(a)=1-e-λLa , u1,0(a)=1-e-μLa , u1,1(a)=e-μLa 이 된다. Then u 0,0 (a) = e -λLa , u 0,1 (a) = 1-e -λLa , u 1,0 (a) = 1-e -μLa , u 1,1 (a) = e- μLa .

그리고, w0(a) = Pee-λLa + (1-Pe)(1-e-μLa), w1(a) = (1-Pe)e-μLa + Pe(1-e-λLa)이 된다. And w 0 (a) = P e -λLa + (1-P e ) (1-e -μLa ), w 1 (a) = (1-P e ) e -μLa + P e (1-e -λLa ).

a∈{DATA,SO,SB}에 대해, p(i,j)(i',j')(a)=ui,i'(a)×uj,j'(a)이 된다. 만일, 액션 CO가 취해지면, 백업채널이 새로운 동작채널이 되고 새로운 백업채널이 랜덤하게 선택되기 때문에, p(i,j)(i',j')(CO)=uj,i'(CO)×wj'(CO)이 된다. 나아가, 새로운 백업채널은 액션 CB하에서 랜덤하게 선택될 수 있기 때문에, p(i,j)(i',j')(CB)=ui,i'(CB)×wj'(CB)이 된다.
For a '{DATA, SO, SB}, p (i, j) (i', j ') (a) = u i, i' (a) x u j, j ' (a). If an action CO is taken, p (i, j) (i ', j') (CO) = u j, i ' (CO since the backup channel becomes a new operating channel and the new backup channel is randomly selected. ) X w j ' (CO). Furthermore, since the new backup channel can be randomly selected under the action CB, p (i, j) (i ', j') (CB) = u i, i ' (CB) x w j' (CB) do.

결정시기 t에서 관찰 프로세스의 상태는 ot=(ot (1), ot (2))으로 표시하며, 여기서 ot (m)(m=1,2)는 ot (m)∈{1,2, ..., k} 및 (t-1)번째 프레임 동안 채널(m)을 센싱하여 얻은 양자화된 통계값을 나타낸다. CRSN이 채널(m)을 센싱하지 않고 채널(m)에 대한 통계값을 가지고 있지 않을 때, ot (m)은 '0'으로 설정된다. 따라서, At-1∈{DATA,SB,CB}에 대해, ot (1)=0 이고, At-1∈{DATA,SO}에 대해, ot (2)=0 이다.
At decision time t, the state of the observation process is represented by o t = (o t (1) , o t (2) ), where o t (m) (m = 1,2) is o t (m) ∈ { The quantized statistical values obtained by sensing the channel m during the 1,2, ..., k} and (t-1) th frames. When the CRSN does not sense channel m and does not have a statistic for channel m, o t (m) is set to '0'. Thus, for A t-1 ∈ {DATA, SB, CB}, o t (1) = 0, and for A t-1 ∈ {DATA, SO}, o t (2) = 0.

코어 프로세스 상태와 관찰 프로세스 상태 사이의 확률적 관계를 Q(a)=[q(i,j)(k,l)(a)]라고 한다. 즉, q(i,j)(k,l)(a)=Pr{Ot=(k,l)│Xt=(i,j), At-1=a}이 된다. n(k)를 센싱되지 않은 채널(m)에 대해 ot (m)=k 일 확률이라고 하면, 채널 상태 xt (m)에 상관없이 n(0)=1이고, 모든 k≥1에 대해 n(k)=0이 된다. 그러면, q(i,j)(k,l)(a)는 υi(k)(수학식 1, 수학식 2)와 n(k)를 통해 정의될 수 있다.The probabilistic relationship between the core process state and the observed process state is called Q (a) = [q (i, j) (k, l) (a)]. That is, q (i, j) (k, l) (a) = Pr {O t = (k, l) | X t = (i, j), A t-1 = a}. If n (k) is the probability that o t (m) = k for the unsensed channel m, then n (0) = 1, regardless of channel state x t (m) , for all k≥1 n (k) = 0. Then, q (i, j) (k, l) (a) may be defined through ν i (k) (Equation 1, Equation 2) and n (k).

CRSN이 액션 DATA 하에서는 채널을 센싱하지 않기 때문에, q(i,j)(k,l)(DATA)=n(k)×n(l)이 된다. 동작채널만이 액션 SO 에서 센싱된다고 생각하면, q(i,j)(k,l)(SO)=υi(k)×n(l)이 된다. 또한, 백업채널만이 센싱되는 액션 CB 또는 SB 하에서는 q(i,j)(k,l)(CB)=n(k)×υj(l) 와 q(i,j)(k,l)(SB)=n(k)×υj(l)이 된다. 나아가, CRSN이 액션 CO 하에서는 동작채널과 백업채널을 모두 센싱하기 때문에, q(i,j)(k,l)(CO)=υi(k)×υj(l)이 된다.
Since the CRSN does not sense a channel under the action DATA, q (i, j) (k, l) (DATA) = n (k) × n (l). Considering that only the operation channel is sensed in the action SO, q (i, j) (k, l) (SO) = υ i (k) × n (l). Also, under the action CB or SB where only the backup channel is sensed , q (i, j) (k, l) (CB) = n (k) × υ j (l) and q (i, j) (k, l) (SB) = n (k) × υ j (l). Furthermore, since the CRSN senses both the operation channel and the backup channel under action CO, q (i, j) (k, l) (CO) = υ i (k) × υ j (l).

r(i,j)(i',j')(a)을 상태(i,j)에서 액션(a)를 취해 상태(i',j')로 전이를 초래함으로써 CRSN이 수신하는 순간 보상(Immediate Reward)이라고 한다. 그러면, 상태(i,j)에서 액션(a)을 수행함으로써 얻은 총 예상된 보상은
r (i, j) (i ', j') (a) taking action (a) from state (i, j) and causing a transition from state (i ', j') to the instantaneous compensation that the CRSN receives ( Immediate Reward). Then, the total expected reward obtained by performing action (a) in state (i, j) is

Figure 112010062885509-pat00003
Figure 112010062885509-pat00003

이다. 상기 보상은 PU를 적절히 보호하면서 에너지 소비를 절감하도록 결정되어야 한다. 따라서, PU를 방해할 확률과 소비된 에너지를 고려하여 보상의 값을 설정한다.
to be. The compensation should be determined to reduce energy consumption while adequately protecting the PU. Therefore, the value of compensation is set in consideration of the probability of disturbing the PU and the energy consumed.

동작모드 결정을 위해, CRSN은 결정시기 t에서 결정을 하는데 필요한 모든 정보를 요약한 정보벡터 ∏(t)를 관리한다. 정보벡터 ∏(t)는 [π(0,0)(t), π(0,1)(t), π(1,0)(t), π(1,1)(t)]으로 표시되며, 여기서 π(i,j)(t)는 상태(i,j)에 코어 프로세스(Xt)가 있을 확률이다. 네트워크 초기화시에, CRSN은 채널 상태에 대한 정보를 전혀 가지고 있지 않기 때문에, 초기 정보벡터 ∏(0)는 안정적인 채널상태 확률벡터인 것으로 가정된다. To determine the operation mode, the CRSN manages an information vector ∏ (t) that summarizes all the information needed to make a decision at decision time t. The information vector ∏ (t) is represented by [π (0,0) (t), π (0,1) (t), π (1,0) (t), π (1,1) (t)]. Where π (i, j) (t) is the probability that there is a core process (X t ) in state (i, j). Since the CRSN has no information on the channel state at network initialization, it is assumed that the initial information vector ∏ (0) is a stable channel state probability vector.

따라서,

Figure 112010062885509-pat00004
이다.therefore,
Figure 112010062885509-pat00004
to be.

POMDP의 특성에 따르면, 액션 At , 정보벡터 ∏(t) 및 관찰 Ot+1로부터 정보벡터 ∏(t+1)을 추론할 수 있다. ∏(t)에서 ∏(t+1)로의 변환은 다음과 같이 베이어의 공식(Bayes' formula)에 의해 특정될 수 있다.
According to the characteristics of the POMDP, the information vector 추 (t + 1) can be inferred from the action A t , the information vector ∏ (t) and the observation O t + 1 . The conversion from t (t) to ∏ (t + 1) can be specified by Bayes' formula as follows.

Figure 112010062885509-pat00005
Figure 112010062885509-pat00005

결정시기 t+1에서, CH는 [수학식 4]를 사용하여 업데이트된 정보벡터인 ∏(t+1)을 계산한다. 업데이트된 정보벡터를 가지고 액션을 선택하기 위해, CH는 상기 정보벡터로부터 액션으로 맵핑하는 맵핑함수인 정책(δ)에 의존한다. 여기에는 많은 실행가능한 정책(δ)이 있을 수 있다. 모든 가능한 정책(δ)들 중에서, 우리는 디스카운트 계수(β(0≤β≤1))를 가지고 예상되는 디스카운트된 무한 지평 보상을 최대화하는 최적의 정책(δ*)을 찾을 필요가 있다.At decision time t + 1, CH calculates the updated information vector 1 (t + 1) using Equation (4). In order to select an action with the updated information vector, the CH depends on the policy δ, which is a mapping function that maps from the information vector to the action. There may be many viable policies δ. Of all possible policies δ, we need to find the optimal policy δ * that maximizes the expected discounted infinite horizon compensation with the discount coefficient β (0 ≦ β ≦ 1).

최적의 정책 δ*(∏)을 찾기 위해, 다음과 같이 최적값 함수 V*(∏)를 한정한다.
In order to find the optimal policy δ * (∏), we define the optimal value function V * (∏) as follows.

Figure 112010062885509-pat00006
Figure 112010062885509-pat00006

여기서,here,

Figure 112010062885509-pat00007
이다.
Figure 112010062885509-pat00007
to be.

그러면, 최적의 정책 δ*(∏)는 최적값 함수 V*(∏)을 사용하여 유도된다.
Then, the optimal policy δ * (k) is derived using the optimum value function V * (k).

Figure 112010062885509-pat00008
Figure 112010062885509-pat00008

최적값 함수 V*(∏)와 최적의 정책 δ*(∏)은 동적 프로그래밍에 기초한 평가치 반복 방식(Value iteration)에 따라 계산될 수 있다. 나아가, 최적의 정책은 CRSN을 시작하기 전에 미리 오프라인에서 유도될 수 있다.The optimal value function V * (i) and the optimal policy δ * (i) can be calculated according to a value iteration based on dynamic programming. Furthermore, the optimal policy can be derived offline before starting the CRSN.

전술한 방법에 의하여, 각 결정시기에서 CH는 최후의 센싱결과와 마지막 액션에 기초하여 정보벡터를 업데이트한다. 그 후, CH는 정보벡터를 a*로 맵핑하는 계산된 최적의 정책 δ*을 사용하여 최적의 동작모드 a*를 결정한다.
By the above-described method, at each decision time, the CH updates the information vector based on the last sensing result and the last action. The CH then determines the optimal mode of operation a * using the calculated optimal policy δ * that maps the information vector to a * .

이하, 본 발명 인지 무선 센서 네트워크에서 채널 관리 방법을 사용하여 시뮬레이션한 결과에 대하여 상세하게 설명한다.
Hereinafter, a simulation result using the channel management method in the cognitive wireless sensor network of the present invention will be described in detail.

CRSN은 IEEE 802.15.4 WSN의 기본 성능을 가지는 8개의 센서노드(하나는 CH 이고, 7개는 클러스터 멤버이다)로 구성된다. IEEE 802.15.4 에서와 같이, 대역폭(B)은 2MHz로 설정되고 CRSN의 송신율은 250kbps로 고정된다. 5개의 동작모드들의 길이는 LDATA = 50ms이고, LSO = LSB = LCB = 5.8ms이고, LCO = 15.1ms이다.The CRSN consists of eight sensor nodes (one CH and seven cluster members) with the basic performance of IEEE 802.15.4 WSN. As in IEEE 802.15.4, the bandwidth B is set to 2 MHz and the transmission rate of the CRSN is fixed at 250 kbps. The lengths of the five modes of operation are L DATA = 50 ms, L SO = L SB = L CB = 5.8 ms, and L CO = 15.1 ms.

시뮬레이션에서, 비콘의 사이즈, 센싱 결과 보고 패킷, 센싱 결과 보고/연결 요청 패킷, 연결 응답 패킷 및 데이터 패킷이 각각 40, 22, 31, 27 및 131 바이트로 설정된다. 시분할 방식에 따라 충돌 없이 클러스터 멤버들이 센싱 결과 보고 패킷이나 데이터 패킷을 CH에 송신한다고 가정한다. 임의의 동작모드에서, 센서노드는 트래픽을 송신하거나 수신하지 않을때 휴지상태로 된다.In the simulation, the size of the beacon, the sensing result report packet, the sensing result report / connection request packet, the connection response packet and the data packet are set to 40, 22, 31, 27 and 131 bytes, respectively. It is assumed that the cluster members send the sensing result report packet or data packet to the CH without collision according to the time division method. In any mode of operation, the sensor node is idle when it does not transmit or receive traffic.

CRSN의 커버리지는 PU의 송신범위보다 훨씬 더 작기 때문에, 각 센서노드에서 수신된 PU 신호 전력은 동일한 것으로 가정된다. FCC에 따르면 CR시스템은 PU로부터 수신된 전력이 6MHz의 대역폭에서 -114dBm보다 더 높을 때 PU를 검출한다. 그러나, CRSN의 대역폭이 2MHz이기 때문에, PU 신호 전력의 1/3만이 각 센서노드에서 수집되는 것으로 가정된다. 채널에서 PU의 활동 기간(1/λ)과 비활동 기간(1/μ)은 각각 30s 와 10s로 설정되며, Ts=2ms이고, N0=-163dBm/Hz이다.Since the coverage of the CRSN is much smaller than the transmission range of the PU, it is assumed that the PU signal power received at each sensor node is the same. According to the FCC, the CR system detects a PU when the power received from the PU is higher than -114 dBm in a bandwidth of 6 MHz. However, since the bandwidth of the CRSN is 2 MHz, it is assumed that only one third of the PU signal power is collected at each sensor node. The active period (1 / λ) and the inactive period (1 / μ) of the PU in the channel are set to 30s and 10s, respectively, T s = 2ms and N 0 = -163 dBm / Hz.

또한, 디스카운트 계수 β=0.95이고 양자화 레벨 k=20이다. 양자화 임계값(γ1, γk-1)은 υ0(0)=0.001과 υ0(k-1)=0.001을 만족시키도록 결정된다. 그러면, 1 < k < k-1 에 대해,

Figure 112010062885509-pat00009
이 된다. 여기서, γ0=-∞이고, γk=+∞이다.
The discount coefficient β = 0.95 and the quantization level k = 20. The quantization thresholds γ 1 , γ k-1 are determined to satisfy ν 0 (0) = 0.001 and ν 0 (k-1) = 0.001. Then, for 1 <k <k-1,
Figure 112010062885509-pat00009
. Where γ 0 = −∞ and γ k = + ∞.

또한, 시뮬레이션에서 사용되는 순간 보상의 값을 조사한다. PU가 존재하는 채널(즉, PU의 존재 채널)에서의 데이터 송신은 PU 검출을 위해서 회피되어야 하지만 비어 있는 채널에서의 송신은 촉진될 필요가 있다는 점을 고려하여, r(1,?)(?,?)(DATA)=-10 와 r(0,?)(?,?)(DATA)=10으로 설정한다.In addition, the value of the instantaneous compensation used in the simulation is investigated. Considering that data transmission on the channel where the PU exists (i.e., the presence channel of the PU) should be avoided for PU detection but transmission on an empty channel needs to be facilitated, r (1,?) (? ,?) Set (DATA) =-10 and r (0,?) (?,?) (DATA) = 10.

한편, 비어 있는 채널을 센싱하는 것은 불필요한 센싱으로 인한 에너지 낭비를 방지하기 위해 회피되어야 한다. 동작모드에서 소비된 에너지에 기초하여 비어있는 채널을 센싱하기 위한 보상을 결정한다. Ea를 동작모드(a)에서 CRSN의 총 소비 에너지라고 하면, r(0,?)(?,?)(SO)=-ESO/ESB=-1 이고 r(?,0)(?,?)(SO)=-ESB/ESB=-1이 된다.On the other hand, sensing an empty channel should be avoided in order to prevent energy waste due to unnecessary sensing. The compensation for sensing an empty channel is determined based on the energy consumed in the operation mode. If E a is the total energy consumption of the CRSN in operation mode (a), then r (0,?) (?,?) (SO) =-E SO / E SB = -1 and r (?, 0) (? (?) =-E SB / E SB = -1

마찬가지로, 비어있는 채널을(PU가 존재하는 채널) 다른 비어있는 채널로(PU가 존재하는 채널) 변경하는 것은 불필요한 에너지 소비를 초래한다. 따라서,

Figure 112010062885509-pat00010
이고, r(?,0)(?,0)(CB)=r(?,1)(?,1)(CB)=-ECB/ESB=-1이 된다.Likewise, changing an empty channel (the channel on which the PU exists) to another empty channel (the channel on which the PU exists) results in unnecessary energy consumption. therefore,
Figure 112010062885509-pat00010
R (?, 0) (?, 0) (CB) = r (?, 1) (?, 1) (CB) =-E CB / E SB = -1.

나아가, 비어있는 채널을 PU가 존재하는 채널로 변경하는 것은 동일한 상태에 있는 채널들 사이를 이동하는 것보다도 훨씬 더 악화되는 것이므로, 우리는 비어있는 채널을 PU가 존재하는 채널로 변경하기 위해 추가적인 벌점(ξc로 표시)을 부여한다. 따라서, r(0,?)(1,?)(CO)=ξc×r(0,?)(0,?)(CO)이고, r(?,0)(?,1)(CB)=ξc×r(?,0)(?,0)(CB)이 된다. 시뮬레이션에서, ξc=2이다. 따라서, r(0,?)(1,?)(CO)=-5이고, r(?,0)(?,1)(CB)=-2이 된다.Furthermore, since changing an empty channel to a channel in which the PU exists is much worse than moving between channels in the same state, we have additional penalties for changing the empty channel to a channel in which the PU exists. (indicated by ξ c ). Therefore, r (0,?) (1,?) (CO) = ξ c × r (0,?) ( 0,?) (CO), and r (?, 0) (?, 1) (CB) = ξ c × r (?, 0) (?, 0) (CB). In the simulation, ξ c = 2. Therefore, r (0,?) (1,?) (CO) =-5, and r (?, 0) (?, 1) (CB) =-2.

한편, PU가 존재하는 채널을 센싱하는 것은 빠른 PU 검출을 위해 바람직한 것이다. 나아가, 동작채널이 백업채널보다 더 중요한 것으로 처리될 필요가 있으므로, 동작채널에 가중치(w0)를 부여한다. 즉, r(1,?)(?,?)(SO)=w0×r(?,1)(?,?)(SB)이다. 또한, PU가 존재하는 채널을 비어있는 채널로 변경하는 것은 PU 검출을 위해 PU가 존재하는 채널을 단순히 탐색하는 것보다 더 긴급한 동작일 수 있다. 이 긴급성을 반영하기 위해 채널 변경을 위해 다른 가중치(wc)를 도입한다. 그러면, r(1,?)(0,?)(CO)=wc×r(1,?)(?,?)(SO)이고, r(?,1)(?,0)(CB)=wc×r(?,1)(?,?)(SB)이 된다. 시뮬레이션에서 w0=5이고, wc=2이며 r(?,1)(?,?)(SB)=1이다. 그러면, r(1,?)(?,?)(SO)=5, r(1,?)(0,?)(CO)=10이고 r(?,1)(?,0)(CB)=2이 된다.On the other hand, sensing the channel in which the PU exists is desirable for fast PU detection. Furthermore, since the operating channel needs to be treated as more important than the backup channel, the weighting channel w 0 is assigned to the operating channel. That is, r (1,?) (?,?) (SO) = w 0 x r (?, 1) (?,?) (SB). Also, changing a channel in which the PU exists to an empty channel may be a more urgent operation than simply searching for a channel in which the PU exists for PU detection. To reflect this urgency, another weight w c is introduced for channel change. Then r (1,?) (0,?) (CO) = w c × r (1,?) (?,?) (SO), and r (?, 1) (?, 0) (CB) = w c xr (?, 1) (?,?) (SB) In the simulation w 0 = 5, w c = 2 and r (?, 1) (?,?) (SB) = 1. Then r (1,?) (?,?) (SO) = 5, r (1,?) ( 0,?) (CO) = 10 and r (?, 1) (?, 0) (CB) = 2

본 발명은 동작채널과 백업채널이 각 고정된 기간에서 센싱되는 고정된 센싱기간 구조와 비교된다. 시뮬레이션에서 고정된 센싱기간 구조를 갖는 CRSN은 DATA모드를 ζ(2ζ)번 수행한 후 동작(백업)채널을 센싱한다. 채널 센싱시에, 센서노드는 센싱 채널에서 수신된 신호 에너지의 합이 검출 임계값보다 더 크다면, CH는 PU가 대응하는 채널에 존재한다고 결정하고 즉시 클러스터 멤버들에게 백업채널로 이동하라고 명령한다. 수신된 PU전력에 대해, 검출 임계값은 PU 오탐지(false alarm) 확률이 PU 미검출(miss detection) 확률과 같아지도록 결정된다.
The present invention is compared with the fixed sensing period structure in which the operating channel and the backup channel are sensed in each fixed period. In the simulation, the CRSN having a fixed sensing period structure senses the operation (backup) channel after performing the DATA mode ζ (2ζ) times. In channel sensing, the sensor node determines that the PU exists in the corresponding channel if the sum of the signal energies received in the sensing channel is greater than the detection threshold and immediately instructs the cluster members to move to the backup channel. . For the received PU power, the detection threshold is determined such that the PU false alarm probability is equal to the PU miss detection probability.

[도 2]는 채널에 PU가 존재하는 시간 동안 CRSN의 트래픽 송신을 위해 PU가 존재하는 채널이 사용되는 시간 부분으로서 정의된 PU 방해 비율(Disturbance ration)을 도시한다. [도 2]로부터 PU는 고정된 센싱기간 구조보다 본 발명에 의한 구조에서 보다 적절히 검출된다는 것을 관찰할 수 있다. 즉, 본 발명은 센싱 결과의 이력을 가지고 채널 상태를 추적한 정보벡터를 관리하고 있으므로, 동작채널과 백업채널의 상태를 보다 정확히 예측할 수 있다.2 illustrates a PU disturbance ratio defined as a time portion in which a channel in which a PU exists for transmission of traffic of a CRSN during a time in which a PU exists in a channel is used. It can be seen from FIG. 2 that the PU is more properly detected in the structure according to the present invention than in the fixed sensing period structure. That is, since the present invention manages the information vector tracking the channel state with the history of the sensing result, it is possible to predict the state of the operation channel and the backup channel more accurately.

나아가, 본 발명은 항상 낮은 에너지 소비와 높은 PU보호라는 설계 목적을 충족시키면서 보상을 최적화시키도록 동작모드를 결정한다. 그 결과, 보다 정확히 예측된 동작채널과 백업채널의 상태에 기초하여 본 발명의 CRSN는 PU가 활동할 것 같은 채널을 보다 자주 센싱하고 PU가 동작채널에서 나타날 때 CRSN은 비어있는 백업채널로 보다 신속히 이동한다. 따라서, 본 발명에서 PU 방해 비율을 낮게 만든다.
Furthermore, the present invention always determines the mode of operation to optimize the compensation while meeting the design goals of low energy consumption and high PU protection. As a result, based on the more accurately predicted operating channel and backup channel status, the CRSN of the present invention senses the channel where the PU is likely to be active more frequently, and the CRSN moves to an empty backup channel more quickly when the PU appears in the active channel. do. Therefore, in the present invention, the PU disturbance ratio is made low.

[도 3]은 총 소비 에너지에 대한 채널 센싱 및 변경에 소비되는 에너지의 비율을 도시한다. [도 2]에 이미 도시된 바와 같이, 본 발명은 센싱결과의 이력을 추적함으로써 채널상태를 보다 정확히 예측할 수 있다. 나아가, 본 발명은 비어있는 채널의 센싱과 변경에 네거티브 보상을 부여함으로써 불필요한 채널 탐색과 스위칭을 저감시키도록 한다.3 shows the ratio of energy consumed for channel sensing and change to total energy consumed. As shown in FIG. 2, the present invention can more accurately predict the channel state by tracking the history of the sensing result. Furthermore, the present invention reduces negative channel searching and switching by granting negative compensation to sensing and changing the empty channel.

그 결과, 본 발명은 채널을 주기적으로 센싱하고 하나의 센싱으로부터 알람 검출을 위해 채널 스위칭을 무조건적으로 수행하는 고정된 센싱 기간 구조보다 CR 고유 동작에 있어 에너지를 덜 소비한다.As a result, the present invention consumes less energy in CR specific operation than a fixed sensing period structure in which the channel is periodically sensed and channel switching unconditionally performs channel switching for alarm detection from one sensing.

또한, [도 2] 및 [도 3]으로부터 본 발명은 ζ=30을 가지는 고정된 센싱 기간 구조 비해 상당한 PU 보호 성능과 함께 약 50%의 에너지 효율을 개선시킨다는 것을 관찰할 수 있다.
In addition, it can be observed from FIGS. 2 and 3 that the present invention improves energy efficiency of about 50% with significant PU protection performance compared to a fixed sensing period structure with ζ = 30.

이상, 본 발명의 일 실시예로 설명하였으나 본 발명의 기술적 사상이 상기 일 실시예로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 인지 무선 센서 네트워크에서 채널 관리 방법을 구현할 수 있다. As described above, although an embodiment of the present invention has been described, the technical idea of the present invention is not limited to the above embodiment, and a channel management method may be implemented in various cognitive wireless sensor networks in a range that does not depart from the technical idea of the present invention. .

Claims (11)

클러스터 헤드 및 다수의 클러스터 멤버를 포함하는 인지 무선 센서 네트워크에 있어서,
동작채널센싱모드, 백업채널센싱모드, 동작채널변경모드, 백업채널변경모드 및 데이터모드를 상기 인지 무선 센서 네트워크의 동작모드로 분류하는 제1단계; 및
상기 제1단계의 동작모드를 각각의 동작모드 시작전 결정시기에서 채널 센싱 결과의 이력 및 마지막 동작모드를 기반으로 마르코브 결정 방법을 이용하여 적응적으로 결정하는 제2단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인지 무선 센서 네트워크에서 채널 관리 방법.
In a cognitive wireless sensor network comprising a cluster head and a plurality of cluster members,
Classifying an operation channel sensing mode, a backup channel sensing mode, an operation channel change mode, a backup channel change mode, and a data mode into an operation mode of the cognitive wireless sensor network; And
And a second step of adaptively determining the operation mode of the first step by using the Markov determination method based on the history of the channel sensing result and the last operation mode at the time before the start of each operation mode. How to manage channel in cognitive wireless sensor network.
제1항에 있어서,
상기 제2단계는,
상기 결정시기에서 다음 동작모드가 데이터모드로 결정되면,
상기 클러스터 헤드는 상기 클러스터 멤버에게 송신 스케줄 정보를 통지하고,
상기 클러스터 멤버는 상기 송신 스케줄에 따라 데이터를 상기 클러스터 헤드에게 송신하며,
상기 클러스터 멤버는 상기 데이터 송신 직후 휴지상태가 되고,
상기 클러스터 헤드는 모든 클러스터 멤버로부터 데이터를 수신하면 휴지상태가 되고,
상기 데이터모드 종료시 상기 클러스터 헤드는 활성화 상태가 되어 채널 센싱 결과의 이력 및 마지막 동작모드를 기반으로 다음 동작모드를 적응적으로 결정하는 것을 특징으로 하는 인지 무선 센서 네트워크에서 채널 관리 방법.
The method of claim 1,
The second step comprises:
If the next operation mode is determined as the data mode at the determination time,
The cluster head notifies the cluster member of transmission schedule information,
The cluster member transmits data to the cluster head according to the transmission schedule,
The cluster member is in a dormant state immediately after the data transmission,
The cluster head is idle when receiving data from all cluster members,
And the cluster head is activated when the data mode ends, and adaptively determines a next operation mode based on a history and a last operation mode of a channel sensing result.
제1항에 있어서,
상기 제2단계는,
상기 결정시기에서 다음 동작모드가 동작채널센싱모드로 결정되면,
상기 클러스터 헤드는 동작채널을 센싱하도록 상기 모든 클러스터 멤버에게 명령하며,
상기 클러스터 헤드 및 상기 클러스터 멤버는 상기 동작채널을 센싱하고,
상기 클러스터 멤버는 상기 동작채널의 센싱 결과를 상기 클러스터 헤드에 보고하며,
상기 클러스터 헤드는 상기 동작채널의 센싱 결과를 기반으로 동작채널의 상태를 예측하고,
예측된 동작채널과 백업채널 상태 및 마지막 동작모드를 기반으로 다음 동작모드를 적응적으로 결정하는 것을 특징으로 하는 인지 무선 센서 네트워크에서 채널 관리 방법.
The method of claim 1,
The second step comprises:
If the next operation mode is determined as the operation channel sensing mode at the determination time,
The cluster head instructs all the cluster members to sense an operating channel,
The cluster head and the cluster member sense the operating channel;
The cluster member reports the sensing result of the operation channel to the cluster head,
The cluster head predicts a state of an operating channel based on a sensing result of the operating channel,
A channel management method in a cognitive radio sensor network, characterized in that adaptively determines the next operation mode based on the predicted operation channel, the backup channel state, and the last operation mode.
제1항에 있어서,
상기 제2단계는,
상기 결정시기에서 다음 동작모드가 백업채널센싱모드로 결정되면,
상기 클러스터 헤드는 백업채널을 센싱하도록 상기 모든 클러스터 멤버에게 명령하며,
상기 클러스터 헤드 및 상기 클러스터 멤버는 상기 백업채널을 센싱하고,
상기 클러스터 멤버는 상기 백업채널의 센싱 결과를 상기 클러스터 헤드에 보고하며,
상기 클러스터 헤드는 상기 백업채널 센싱 결과를 기반으로 백업채널의 상태를 예측하고,
예측된 동작채널과 백업채널 상태 및 마지막 동작모드를 기반으로 다음 동작모드를 적응적으로 결정하는 것을 특징으로 하는 인지 무선 센서 네트워크에서 채널 관리 방법.
The method of claim 1,
The second step comprises:
If the next operation mode is determined as the backup channel sensing mode at the determination time,
The cluster head instructs all the cluster members to sense a backup channel,
The cluster head and the cluster member sense the backup channel,
The cluster member reports the sensing result of the backup channel to the cluster head,
The cluster head predicts the state of the backup channel based on the backup channel sensing result,
A channel management method in a cognitive radio sensor network, characterized in that adaptively determines the next operation mode based on the predicted operation channel, the backup channel state, and the last operation mode.
제1항에 있어서,
상기 제2단계는,
상기 결정시기에서 다음 동작모드가 동작채널변경모드로 결정되면,
상기 클러스터 헤드는 새로운 백업채널로서 하나의 채널을 랜덤하게 선택하고,
상기 클러스터 헤드는 새로운 동작채널 및 새로운 백업채널을 센싱하도록 상기 모든 클러스터 멤버에게 명령하며,
상기 클러스터 헤드 및 상기 클러스터 멤버는 백업채널이었던 새로운 동작채널 및 새로운 백업채널을 센싱하고,
상기 클러스터 헤드는 새로운 동작채널에서 동기화를 위한 추가적인 비콘을 송신하며,
상기 클러스터 멤버는 새로운 동작채널과 새로운 백업채널의 센싱 결과 및 동기화를 위한 연결 메시지를 상기 클러스터 헤드로 송신하며,
상기 클러스터 헤드는 상기 연결 메시지에 대응하여 연결 응답 메시지를 상기 클러스터 멤버에게 송신하며,
상기 클러스터 헤드는 상기 새로운 동작채널과 새로운 백업채널의 센싱 결과를 기반으로 새로운 동작채널과 새로운 백업채널의 상태를 예측하고,
예측된 새로운 동작채널과 새로운 백업채널 상태 및 마지막 동작모드를 기반으로 다음 동작모드를 적응적으로 결정하는 것을 특징으로 하는 인지 무선 센서 네트워크에서 채널 관리 방법.
The method of claim 1,
The second step comprises:
If the next operation mode is determined as the operation channel change mode at the determination time,
The cluster head randomly selects one channel as a new backup channel,
The cluster head instructs all the cluster members to sense a new operating channel and a new backup channel,
The cluster head and the cluster member sense a new operation channel and a new backup channel that were backup channels,
The cluster head transmits additional beacons for synchronization in a new operating channel,
The cluster member transmits a connection message for sensing and synchronization of a new operation channel and a new backup channel to the cluster head,
The cluster head transmits a connection response message to the cluster member in response to the connection message;
The cluster head predicts the state of the new operation channel and the new backup channel based on the sensing results of the new operation channel and the new backup channel.
A channel management method in a cognitive wireless sensor network, characterized in that adaptively determines the next operation mode based on the predicted new operation channel, the new backup channel state, and the last operation mode.
제1항에 있어서,
상기 제2단계는,
상기 결정시기에서 다음 동작모드가 백업채널변경모드로 결정되면,
상기 클러스터 헤드는 새로운 백업채널로서 하나의 채널을 랜덤하게 선택하고,
상기 클러스터 헤드는 상기 새로운 백업채널을 센싱하도록 상기 모든 클러스터 멤버에게 명령하며,
상기 클러스터 헤드 및 상기 클러스터 멤버는 상기 새로운 백업채널을 센싱하고,
상기 클러스터 멤버는 상기 새로운 백업채널의 센싱 결과를 상기 클러스터 헤드에 보고하며,
상기 클러스터 헤드는 상기 새로운 백업채널의 센싱 결과를 기반으로 상기 새로운 백업채널의 상태를 예측하고,
예측된 동작채널과 새로운 백업채널 상태 및 마지막 동작모드를 기반으로 다음 동작모드를 적응적으로 결정하는 것을 특징으로 하는 인지 무선 센서 네트워크에서 채널 관리 방법.
The method of claim 1,
The second step comprises:
If the next operation mode is determined as the backup channel change mode at the determination time,
The cluster head randomly selects one channel as a new backup channel,
The cluster head instructs all the cluster members to sense the new backup channel,
The cluster head and the cluster member sense the new backup channel,
The cluster member reports the sensing result of the new backup channel to the cluster head,
The cluster head predicts the state of the new backup channel based on the sensing result of the new backup channel,
A channel management method in a cognitive radio sensor network, characterized in that adaptively determines the next operation mode based on the predicted operation channel, the new backup channel state, and the last operation mode.
제1항에 있어서,
상기 제2단계는,
상기 결정시기에서 동작채널센싱모드, 백업채널센싱모드, 동작채널변경모드 또는 백업채널변경모드로 결정되면,
채널 센싱을 통해 측정된 채널에 대한 통계값을 복수의 레벨로 양자화하여 우선 사용자(PU)의 존재를 판단하는 것을 특징으로 하며,
상기 통계값은 클러스터 헤드 및 클러스터 멤버로부터 수신된 에너지의 합을 잡음 스펙트럼 밀도로 나눈 값인 것을 특징으로 하는 인지 무선 센서 네트워크에서의 채널 관리 방법.
The method of claim 1,
The second step comprises:
If it is determined that the operation channel sensing mode, the backup channel sensing mode, the operation channel change mode or the backup channel change mode at the determination time,
Characterizing the presence of the user (PU) by first quantizing the statistical value for the channel measured through the channel sensing to a plurality of levels,
The statistical value is a sum of the energy received from the cluster head and the cluster member divided by the noise spectral density, channel management method in a cognitive radio sensor network.
제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 클러스터 헤드는 결정시기에서 모든 동작모드 중 하나를 선택하고, 선택된 동작모드를 클러스터 멤버에게 통지하는 것을 특징으로 하는 인지 무선 센서 네트워크에서의 채널 관리 방법.
8. The method according to any one of claims 1 to 7,
The cluster head selects one of all operation modes at the time of determination, and notifies the cluster member of the selected operation mode.
제8항에 있어서,
상기 결정시기는,
채널 센싱을 통해 얻은 통계값을 기반으로 각 채널에서 우선 사용자가 존재할 확률을 산출하고,
상기 우선 사용자가 존재할 확률을 기반으로 정보벡터를 산출하며,
상기 정보벡터, 동작모드 및 관찰 프로세스를 기반으로 업데이트된 정보벡터를 산출하는 것을 특징으로 하는 인지 무선 센서 네트워크에서의 채널 관리 방법.
The method of claim 8,
The decision time is
Based on the statistics obtained through channel sensing, the probability that a user exists first in each channel is calculated.
Calculating an information vector based on a probability that the user exists first,
And calculating an updated information vector based on the information vector, an operation mode, and an observation process.
제9항에 있어서,
상기 결정시기는,
상기 업데이트된 정보벡터를 기반으로 동작모드를 적응적으로 결정하기 위하여 최적값 함수를 산출하는 것을 특징으로 하는 인지 무선 센서 네트워크에서의 채널 관리 방법.
10. The method of claim 9,
The decision time is
And calculating an optimum value function to adaptively determine an operation mode based on the updated information vector.
제10항에 있어서,
상기 결정시기는,
상기 최적값 함수를 기반으로 정책함수를 유도하고, 상기 정책함수를 사용하여 동작모드를 적응적으로 결정하는 것을 특징으로 하는 인지 무선 센서 네트워크에서의 채널 관리 방법.
The method of claim 10,
The decision time is
Deriving a policy function based on the optimum value function, and adaptively determine the operation mode using the policy function, Channel management method in a cognitive radio sensor network.
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