KR101188399B1 - 무선인지 시스템에서 협력 센싱 방법 - Google Patents

Abstract

우선 사용자(primary user) 검출을 위해 협력하는 센싱 스테이션의 개수를 최적화하고, 무선인지 네트워크의 경계 영역에 걸쳐 센싱 스테이션을 균일하게 선택함으로써 낮은 송신 전력을 갖는 우선 사용자도 정확하게 검출할 수 있도록 한 무선인지 시스템에서 협력 센싱 방법이 개시된다.
개시된 무선인지 시스템에서 협력 센싱 방법은, 다수의 스테이션에서 센싱을 수행하고, 테스트 통계 값에 기반하여 우선 사용자가 검출된 경우 센싱 보고 메시지를 생성하여 상기 액세스 포인트에 전송하는 우선 사용자 검출과정과; 상기 액세스 포인트에서 센싱 보고 메시지를 수집하고, 잘못된 알람 확률을 만족시키면서 최종 우선 사용자 검출 확률을 최대화하는 스테이션 개수를 추출하는 스테이션 개수 최적화과정과; 상기 액세스 포인트에서 추출한 스테이션으로부터 수집한 센싱 결과들 사이의 상관관계와 활성화된 우선 사용자의 지리적 분포를 고려하여 협력 센싱에 참가할 센싱 및 보고 스테이션을 선택하는 협력 센싱 스테이션 선택과정을 구비한다.

Description

무선인지 시스템에서 협력 센싱 방법{Collaborative sensing method in cognitive radio systems}

본 발명은 무선인지 시스템(cognitive radio systems)에서 협력 센싱(collaborative sensing)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 우선 사용자(primary user) 검출을 위해 협력하는 센싱 스테이션의 개수를 최적화하고, 무선인지 네트워크의 경계 영역에 걸쳐 센싱 스테이션을 균일하게 선택함으로써 낮은 송신 전력을 갖는 우선 사용자도 정확하게 검출할 수 있도록 한 무선인지 시스템에서 협력 센싱 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 이동통신, 디지털 멀티미디어 방송(DMB: Digital Multimedia Broadcasting)뿐만 아니라 유비쿼터스 센서 네트워크(USN: Ubiquitous Sensor Network), 텔레매틱스, 홈 네트워크 등을 이용한 유비쿼터스 시대에는 전파도 유비쿼터스 하게 이용됨에 따라 유한한 자원인 전파의 활용에 변화가 요구되고 있다. 따라서, 독점적으로 사용하던 전파의 효율성을 높이는 방법으로 전파의 유연한 이용(Flexible Use)이라는 새로운 개념의 시스템에 대한 연구가 진행되어 왔다.

J.Mitola는 주파수가 할당되어있지만 실제로 사용되지 않고 비어 있는 주파수를 감지해서 이를 효율적으로 공유하여 사용할 수 있는 무선 인지(CR) 개념을 제시하였다.

다시 말해, 무선 인지(CR) 시스템은 원래 허가된 우선 사용자들(PUs)에게 할당 되었지만 특정 시간과 특정 위치에서 사용되지 않는 스펙트럼 밴드를 이용하고자 한 것이다. 우선 사용자가 새롭게 활성화되면 무선 인지 시스템은 스펙트럼 밴드를 옮겨야 한다. 따라서 우선 사용자의 존재를 검출하는 것은 무선 인지 시스템에서 가장 중요한 과제 중의 하나이다.

주지한 바와 같이, 무선 인지(CR) 시스템은 우선 사용자(PU)에 허가되었으나 특정 시간과 특정 지리적 위치에서는 사용되지 않는 스펙트럼 대역을 사용한다. CR 네트워크에서 스펙트럼 센싱은 일반적으로 스펙트럼 대역이 PU에 의해 점유되어 있는지 여부를 조사하는 일반적인 방법이다. 스펙트럼 센싱의 정확도는 매우 중요한데 그 이유는 센싱 에러시 동일한 스펙트럼 대역에서 CR과 PU가 공동으로 존재할 수 있고, 이는 PU의 성능을 심각하게 저하하기 때문이다.

PU 검출 성능을 개선하기 위해서, 많은 CR 네트워크는 복수의 CR 스테이션으로부터 센싱 결과를 조합하여 다이버시티 이득(diversity gain)을 제공하는 협력 센싱을 사용한다. 협력 센싱에서, CR 스테이션은 스펙트럼 센싱 직후에 그 센싱 결과를 특정 퓨전 센터(fusion center)에 보고하며, 이 퓨전 센터는 가능한 한 빨리 PU의 존재 여부를 결정하게 된다. 센싱 결과는 일반적으로 메시지를 통해 보고되기 때문에, 보고 오버헤드는 실제 CR 네트워크에서, 특히 채널 액세스를 위해 스테이션들이 경쟁하는 네트워크에서는 무시할 수 없다. 그러나 CR 네트워크에 대한 대부분의 협력 센싱 구조는 보고 오버헤드를 고려함이 없이 센싱 그 자체의 성능을 개선하는 데에만 초점을 두고 있다.

전술된 바와 같이, CR 네트워크에서 채널 센싱은 스펙트럼 대역을 실제 센싱하는 시간뿐만 아니라 센싱 결과를 보고하는 시간을 필요로 한다. 스펙트럼 센싱과 결과 보고가 주어진 시간 기간 내에 수행되어야 한다고 할 때, 더 많은 스테이션이 협력 센싱에 참가하는 경우에, 네트워크는 더 높은 다이버시티 이득을 얻을 수는 있으나, 각 스테이션에서의 센싱 정확도는 더 길어진 보고 시간으로 인해 상대적으로 짧아진 센싱 시간 때문에 더 낮아지게 된다. 즉, 복수의 스테이션의 센싱 협력으로부터 다이버시티 이득과 CR 스테이션에서의 국부 센싱 성능 사이에는 트레이드오프 관계가 있다. 그러므로 협력 센싱을 사용하는 CR 네트워크는 더 우수한 PU 검출 성능을 달성하기 위하여 협력하는 스테이션의 수와 스펙트럼 센싱 시간을 함께 관리하여야 한다.

한편, 협력 센싱 스테이션의 수가 결정되면, 퓨전 센터는 이 센싱에 참가하는 스테이션을 선택하여야 한다. CR 스테이션에서 국부 센싱 정확도는 PU로부터 상이한 채널 페이딩으로 인해 다른 스테이션들의 것들과 다를 수 있기 때문에, PU 검출 성능은 협력 스테이션을 선택하는 방법에 좌우된다는 것이 명확하다. 특히, PU의 송신 전력이 상대적으로 낮을 때(예를 들어, 무선 마이크로폰은 일반적으로 10mW의 송신 전력을 사용한다), 모든 스테이션이 아니라 PU 근처에 위치한 일부 스테이션만이 PU를 올바르게 검출할 수 있다. 따라서, 협력 스테이션의 선택은 PU 검출 성능에 큰 영향을 미친다.

이에 본 발명은 상기와 같은 기존 무선인지 시스템에 적용된 협력 센싱에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서,

본 발명이 해결하려는 과제는 우선 사용자 검출을 위한 협력 센싱에서 센싱 결과를 보고하는 데 소요되는 부하(시스템시간)를 고려한 협력 센싱 기법을 제공하여 우선 사용자의 검출 성능을 극대화하도록 한 무선인지 시스템에서 협력 센싱 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하려는 다른 과제는 우선 사용자(primary user) 검출을 위해 협력하는 센싱 스테이션의 개수를 최적화하고, 무선인지 네트워크의 경계 영역에 걸쳐 센싱 스테이션을 균일하게 선택함으로써 낮은 송신 전력을 갖는 우선 사용자도 정확하게 검출할 수 있도록 한 무선인지 시스템에서 협력 센싱 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 협력 센싱에서 보고시에 발생하는 오버헤드를 고려하고, PU 검출 성능을 최대화하기 위해 협력 스테이션의 최적의 개수를 찾고, PU의 지리적인 분배와 CR 네트워크에 의해 분배된 스테이션들의 센싱 결과들 사이에 상관 관계를 고려하여 협력 센싱 스테이션을 효과적으로 선택하기 위한 무선인지 시스템에서 협력 센싱 방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 과제들을 해결하기 위한 본 발명에 따른 "무선인지 시스템에서 협력 센싱 방법"은,

협력 센싱 스테이션을 선택하는 액세스 포인트(AP)와 우선 사용자(PU) 검출을 위한 센싱을 수행하는 다수의 스테이션으로 이루어진 무선인지 시스템에서 협력 센싱하는 방법에 있어서,

상기 다수의 스테이션에서 센싱을 수행하고, 테스트 통계 값에 기반하여 우선 사용자가 검출된 경우 센싱 보고 메시지를 생성하여 상기 액세스 포인트에 전송하는 우선 사용자 검출과정과;

상기 액세스 포인트에서 센싱 보고 메시지를 수집하고, 잘못된 알람 확률을 만족시키면서 최종 우선 사용자 검출 확률을 최대화하는 최적의 스테이션 개수를 추출하는 스테이션 개수 최적화과정과;

상기 액세스 포인트에서 추출한 최적의 스테이션으로부터 수집한 센싱 결과들 사이의 상관관계와 활성화된 우선 사용자의 지리적 분포를 고려하여 협력 센싱에 참가할 센싱 및 보고 스테이션을 선택하는 협력 센싱 스테이션 선택과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 우선 사용자 검출과정은,

에너지 검출기를 이용하여 수신된 신호의 에너지를 기반으로 테스트 통계 값을 산출하는 단계와;

상기 산출한 테스트 통계 값을 가우시안 랜덤 변수로 모델링하고, 상기 테스트 통계 값에 기반하여 우선 사용자 검출에 대한 국부적인 결정을 수행하는 단계와;

상기 국부적인 결정 결과, 우선 사용자가 존재한다고 결정되면 우선 사용자 검출 비트를 포함하는 센싱 보고 메시지를 생성하여 상기 액세스 포인트에 전송하는 단계와;

상기 액세스 포인트로부터 시스템-와이드(system-wide) 우선 사용자 검출 알람이 수신되면, 첫 번째 알람인지 두 번째 알람인지를 확인하여, 첫 번째 알람인 경우 추가적인 채널 센싱과 보고를 수행하는 단계를 포함한다.

상기 스테이션 개수 최적화 과정은,

채널 센싱을 위한 정적 기간의 길이를 산출하는 단계와;

상기 산출한 길이를 기반으로 잘못된 검출 알람을 송출할 확률을 산출하는 단계와;

채널 센싱과 보고에 참가하는 센싱 및 보고 스테이션의 우선 사용자 검출 확률을 산출하는 단계와;

상기 검출 알람을 송출할 확률과 상기 우선 사용자 검출 확률을 기반으로 최종 잘못된 알람 확률과 최종 우선 사용자 검출 확률을 산출하는 단계와;

스펙트럼 센싱 및 결과 보고에 드는 총 시간을 이용하여, 최종 잘못된 알람 확률을 만족시키면서 최종 우선 사용자 검출 확률을 최대화할 수 있는 센싱 및 보고 스테이션의 개수를 산출하는 단계를 포함한다.

상기 협력 센싱 스테이션 선택과정은,

스테이션에서 수신된 우선 사용자 신호 에너지에 기초하여 네트워크 내 CR 스테이션의 상대적인 위치를 추정하는 단계와;

센싱 및 보고 스테이션 중에서 최대로 수신된 우선 사용자 신호 에너지를 갖는 스테이션만 추출하고, 최대 전력을 갖는 우선 사용자 신호를 수신한 회수를 관리하는 단계와;

각각의 스테이션이 우선 사용자 신호 에너지를 보고한 횟수와, 전체 스테이션 중에서 최대로 수신된 우선 사용자 신호 에너지를 보고한 횟수를 기반으로 이동 평균을 산출하는 단계와;

미리 산출하여 저장한 센싱 및 보고 스테이션의 개수에 대응하게 상기 이동 평균이 큰 순서대로 센싱 및 보고 스테이션을 선택하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 채널 센싱 및 결과 보고에 드는 총 시간이 주어질 때 협력하는 센싱 스테이션의 최적의 개수를 찾을 수 있어, 우선 사용자 검출 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, CR 네트워크의 경제 영역에 걸쳐 센싱 스테이션을 균일하게 선택함으로써, 임의의 위치에서 활성화되는 낮은 송신 전력을 갖는 우선 사용자도 정확하게 검출할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 무선인지 시스템에서 협력 센싱 방법을 보인 흐름도.
도 2는 본 발명에 적용되는 협력 센싱 프레임 구조도.
도 3은 본 발명에서 우선 사용자와 센싱 및 보고 스테이션 사이의 거리 관계도.
도 4는 N=20이고 K^*=7일 때 CR 네트워크의 서비스 영역에 걸친 센싱 및 보고 스테이션의 분포 예시도.
도 5는 최종 PU 검출 미스 확률에 대한 SR 스테이션의 개수 영향도.
도 6은 T_sw에 따른 최종 우선 사용자 검출 실패 확률 그래프.
도 7은 R에 따른 최종 우선 사용자 검출 실패 확률 그래프.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거 상세히 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.

도 1은 본 발명에 따른 "무선인지 시스템에서 협력 센싱 방법"을 보인 흐름도로서, 다수의 스테이션에서 센싱을 수행하고, 테스트 통계 값에 기반하여 우선 사용자가 검출된 경우 센싱 보고 메시지를 생성하여 액세스 포인트에 전송하는 우선 사용자 검출과정(S100)과; 상기 액세스 포인트에서 센싱 보고 메시지를 수집하고, 잘못된 알람 확률을 만족시키면서 최종 우선 사용자 검출 확률을 최대화하는 최적의 스테이션 개수를 추출하는 스테이션 개수 최적화과정(S200) 및 상기 액세스 포인트에서 추출한 최적의 스테이션으로부터 수집한 센싱 결과들 사이의 상관관계와 활성화된 우선 사용자의 지리적 분포를 고려하여 협력 센싱에 참가할 센싱 및 보고 스테이션을 선택하는 협력 센싱 스테이션 선택과정(S300)으로 이루어진다.

이와 같이 이루어진 본 발명에 따른 무선인지 시스템에서 협력 센싱 방법을 첨부한 도면 도 1 내지 도 7을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 제안된 구조는 여러 유형의 CR 네트워크에 적용될 수 있으나, 설명의 편의를 위하여, 본 발명에서는 단일 채널에서 동작하는 액세스 포인트(AP)와 N개의 스테이션(STA)으로 구성된 CR 무선 근거리 네트워크(WLAN)를 고려한다.

고려되는 CR WLAN에서, 채널 시간은 고정된 길이를 갖는 프레임들로 분할되며, 하나의 프레임은 비컨 기간(BP: beacon period), 하나 또는 2개의 센싱 윈도우(SW: sensing window) 및 데이터 송신 기간(DTP: data transmission period)의 3부분으로 다시 분할된다. 도 2는 이러한 프레임 구조를 도시한 것이다.

각 프레임의 시작에서 AP는 BP 동안 비컨 메시지를 송신하여 센싱 윈도에 관한 정보를 안내한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 비컨 메시지는 시작 시간(즉, 오프셋)과, 채널 센싱을 위한 정적 기간(QP: quiet period)의 길이와, 채널 센싱과 결과 보고에 참가한 CR 스테이션들을 나타내는 센싱 및 보고 참가(SRP: sensing/reporting participation) 비트맵을 포함한다. SRP 비트맵은 N개의 비트로 구성되고, 각 비트는 하나의 CR 스테이션에 할당된다. 비컨 메시지를 송신할 때, AP는 채널 센싱에 참가한 스테이션의 SRP 비트를 1로 설정한다.

센싱 윈도는 QP, 센싱 결과를 보고하기 위한 하나 이상의 시간 슬롯(보고 슬롯) 및 채널 사용에 대한 결정을 안내하기 위한 시간 슬롯(결정 안내 슬롯)으로 구성된다. 센싱 윈도 내에 있는 보고 슬롯의 개수는 채널 센싱을 수행하는 스테이션의 수와 같다. 보고 슬롯은 그 SRP 비트 색인들의 시퀀스로 이들 센싱 스테이션 각각에 독점적으로 할당된다. 그로 인해 스테이션은 시분할 방식에 따라 경쟁 없이 그 센싱 결과를 보고할 수 있다. 스테이션이 SRP 비트가 1로 설정된 비컨 메시지를 수신할 때, 스테이션은 그 다음 QP 동안 채널을 센싱하며, 만약 SRP 비트가 SRP 비트맵 내에서 1로 설정된 n번째 비트라면 스테이션은 n번째 보고 슬롯에서 그 센싱 결과를 송신한다. 0의 SRP 비트를 갖는 스테이션은 에너지 절감을 위해 휴지(sleep)하거나 센싱 윈도 동안 대역 외 센싱을 수행할 수 있다.

수집된 센싱 결과에 기초하여, AP는 추가적인 채널 센싱, 채널 스위칭 및 정상 데이터 송신 중 어느 하나인 채널 사용에 대한 결정을 한다. 그러면 AP는 결정 안내 슬롯을 통해 이 결정을 모든 스테이션에 통지한다.

이러한 CR WLAN 시스템에서, 스펙트럼 센싱 방식에 기반하여 우선 사용자(PU)를 검출한다(S100).

에너지 검출 방식이 PU의 신호 형식이 알려져 있지 않은 경우에도 간단히 구현되고 사용될 수 있다는 점을 고려하여 물리적 스펙트럼 센싱 방법으로서 에너지 검출 방식을 사용한다. 하나의 PU만이 하나의 채널에 존재할 수 있다고 가정한다. y(t)는 SR 스테이션에서 수신된 신호라고 하자. 스테이션에서 에너지 검출기는 QP 동안 y(t)의 에너지 레벨을 체크하여 다음 2가지 가정들을 구별한다.

ㆍ PU 부재 가정(H₀) : y(t) = n(t), 여기서 n(t)은

의 스펙트럼 밀도를 갖는 백색 가우시안 잡음이다.

ㆍ PU 존재 가정(H₁) : y(t) = s(t) + n(t), 여기서 s(t)는 수신된 PU신호이다.

에너지 검출기는 수신된 신호의 에너지를

으로 나눈 값을 테스트 통계값(test statistic)으로 취한다. QP의 길이가 T_Q일 때, 테스트 통계 값 Y는

가 된다.

따라서 전술한 각 가정 하에서 테스트 통계 값은 가우시안 랜덤 변수로서 아래의 수학식 1과 같이 모델링될 수 있다.

여기서, N(μ,σ²)은 μ의 평균과 σ²의 분산을 갖는 가우시안 분포를 나타낸다. B는 채널 대역폭이고, E는 T_Q동안 수신된 PU 신호 에너지, 즉

이며, "~"은 "으로 분포된다."를 의미한다.

본 발명의 협력 센싱 구조에서, CR 네트워크는 3개의 전략을 통해 채널에 PU가 존재하는지 여부를 결정한다. 먼저, 센싱에 참가한 각 CR 스테이션은 에너지 검출기로부터 테스트 통계 값에 기초하여 국부적인 결정을 한다. 만약 테스트 통계 값이 미리 한정된 결정 임계값보다 더 높으면, 스테이션은 PU가 존재한다고 결정하고(국부적인 PU검출), 1로 설정된 PU 검출 비트를 갖는 센싱 보고 메시지를 송신한다. 스테이션의 센싱 결과가 단 1비트만으로 표시되더라도 센싱 보고 메시지는 메시지 헤더로 인해 훨씬 더 많은 비트를 포함한다는 것을 주목해야 한다.

스테이션들로부터 센싱 결과들을 수집한 후, AP는 결과들을 조합할 때 OR 규칙에 기초하여 엄격한 결정(hard decision)을 한다. 즉, 1로 설정된 PU 검출 비트를 갖는 적어도 하나의 센싱 보고 메시지를 수신할 때, AP는 시스템-와이드(system-wide) PU 검출 알람을 송출한다(시스템 와이드 PU검출).

잘못된 알람(false alarm)으로 인한 채널 스위칭의 가능성을 감소시키기 위해, 시스템 와이드 PU 검출 알람이 연속적으로 2번 송출되는 경우에만, AP는 채널에 PU가 존재한다고 최종적으로 결정한다(최종 PU 결정).

AP는 송출된 PU 검출 알람의 유형에 따라 CR 네트워크의 그 다음 동작을 결정한다. 시스템 와이드 PU 검출 알람이 없으면(즉, AP가 1의 PU 검출 비트를 갖는 센싱 보고 메시지를 수신하지 않으면), AP는 데이터 송신 기간(DTP)의 시작을 지시한다. 스테이션들로부터 하나 이상의 국부적인 PU 검출 알람을 수신할 때, AP는 시스템 와이드 PU 검출 알람을 송출하며 이것이 연속적으로 두 번째 송출된 알람인지 여부를 체크한다. 만약 첫 번째 알람이라면, AP는 추가적인 채널 센싱과 보고를 요구하며, 그렇지 않으면(즉, 두 번째 알람이라면) AP는 스테이션이 채널을 스위칭할 것을 지시한다(도 2 참조).

센싱 결과를 보고하는 오버헤드가 무시할 수 없다는 것을 고려하여 본 발명에서는 CR 네트워크 내 모든 스테이션이 아니라 일부 스테이션만이 채널을 센싱하고, 그 센싱 결과를 보고하도록 한다. 센싱과 보고에 참가한 스테이션은 센싱 및 보고(SR) 스테이션이라고 한다. PU 검출 확률을 최대화하기 위해 SR 스테이션의 최적의 개수를 찾는다(S200). 나아가, 본 발명은 네트워크 내 SR 스테이션을 효과적으로 선택하는 과정을 제안한다(S300).

먼저, SR 스테이션의 최적 개수를 찾는 과정을 살펴 보면, 센싱 윈도의 길이는 T_SW로 주어진다고 가정하자. τ_s는 센싱 보고 메시지 또는 결정 안내 메시지를 송신하기 위한 시간 슬롯의 길이라고 하고, τ_I는 2개의 연속하는 시간 슬롯들 사이의 갭(gap)이라고 하자. QP와 첫 번째 보고 슬롯 사이의 갭은 또한 τ_I이다. 도 2에서 추측할 수 있는 바와 같이, CR 네트워크가 k개의 SR 스테이션을 가지는 경우, T_Q(k)로 표시된 QP의 길이는 아래의 수학식 2와 같다.

에너지 검출이 T_Q(k) 동안 SR 스테이션에 의해 수행될 때, 스테이션이 검출 임계값(γ)으로 잘못된 검출 알람을 송출할 확률은 아래의 수학식 3과 같다.

여기서 Q(ㆍ)은 Q 함수이다.

SR 스테이션의 PU 검출 확률은 PU와 SR 스테이션 사이에 채널 페이딩에 따라 좌우되는 스테이션에서 수신된 PU 신호 에너지에 의해 크게 영향을 받는다는 것을 주목해야 한다. 채널을 모델링할 때, 우리는 전력 이득이 Cd^-η로 주어지는 간략화된 경로 손실(path-loss)을 고려하며, 여기서 C는 상수이며, d는 송신기와 수신기 사이의 거리이며, η는 경로 손실 지수(exponent)이다. 활성화된 PU와 SR 스테이션 사이의 거리를 계산하기 위해 본 발명에서는 도 3과 같은 구성 모델을 사용한다.

CR 네트워크의 서비스 영역은 그 중심이 (0, 0)에 있고, 반경이 L인 원이라고 가정한다. 그 다음 하기에서 설명하는 바에 기초하여, 본 발명에서는 SR 스테이션들(0, 1,...,k-1로 색인)이 원의 원주 상에 위치하고 균일한 공간만큼 분리되어 있다고 가정한다. 그러면 SR 스테이션(i)은 극 좌표(L,φ_i)에 위치되며, 여기서

이다. 나아가, PU는 (0, 0)에 중심이 있고 반경이 R(>L)인 원 내 임의의 위치에서 나타날 수 있다고 가정한다. PU는 극 좌표(r,θ)에서 나타날 때, SR 스테이션(i)과 PU 사이의 거리는 아래의 수학식 4와 같다.

P_tx는 PU의 송신 전력이라고 하면, T_Q(k) 동안 SR 스테이션(i)에서 수신된 PU 신호 에너지는 아래의 수학식 5와 같다.

그러면 SR 스테이션(i)의 PU 검출 확률은 아래의 수학식 6과 같이 산출할 수 있다.

본 발명에서 제안한 구조에서, AP는 스테이션으로부터 하나 이상의 국부적인 PU 검출 알람을 수신할 때, 시스템 와이드 PU 검출 알람을 송출한다. 나아가, 최종 PU 검출 알람은 연속적인 2개의 시스템 와이드 PU 검출 알람으로 송출된다. 따라서, k개의 스테이션들이 검출 임계값(γ)으로 센싱을 수행할 때, 최종 잘못된 알람 확률은 아래의 수학식 7과 같이 산출된다.

나아가, 최종 PU 검출 확률은 아래의 수학식 8과 같이 산출된다.

스펙트럼 센싱/결과 보고에 드는 총 시간이 T_SW로 주어질 때, 본 발명에서는 [수학식 7]과 [수학식 8]을 사용하여 CR 네트워크의 PU 검출 성능을 최대화하는 것을 목표로 이 최적화 문제를 공식화할 수 있다. 구체적으로, 이 문제의 목적은 주어진 T_SW를 가지고 필요한 최종 잘못된 알람 확률을 만족시키면서 최종 PU 검출 확률을 최대화하는 적절한 k 및 γ을 결정하는 것이며, 이를 표현하면 아래의 수학식 9와 같다.

여기서, θ는 CR 네트워크에 필요한 타깃의 잘못된 알람 확률을 나타낸다.

최적의 해법은

의 등식일 때 얻어진다.

Q 함수의 특성과 k는 정수 값이라는 사실로 인해, 상기 최적화 문제에 대한 근접한 형태의 해법은 바로 얻어질 수 없다. 그러나 본 발명에서는 상기 [수학식 9]를 만족시키는 모든 실현 가능한 k에 대해

을 계산하고, 그 중에서

을 최대화하는 k^*를 찾아서 간단히 해법을 얻는다.

채널에 PU의 존재는 k ^* 개의 SR 스테이션의 센싱 결과에 기초하여 결정되므로, 우수한 PU 검출 성능을 갖는 스테이션이 SR 스테이션으로 선택되어야 한다. SR 스테이션 선택 구조를 설계할 때, 본 발명에서는 스테이션들의 센싱 결과들 사이에 상관 관계와 활성화된 PU의 지리적 분포를 고려한다.

먼저, 활성화된 PU의 지리적 분포를 살펴보면 다음과 같다. PU가 그 채널(즉, CR 네트워크의 동작 채널)에서 서비스를 시작할 때, PU가 임의의 CR 스테이션의 송신에 의해 교란되는 경우, PU는 CR 네트워크의 간섭 영역 내에 있는 것으로 간주될 수 있다. PU가 CR 네트워크의 간섭 영역 내 임의의 위치에 나타날 수 있다고 가정하면, PU는 더 높은 확률로 네트워크로부터 더 먼 위치에서 활성화된다. 나아가, CR 네트워크 부근에서 활성화된 PU는 대부분 CR 스테이션에 의해 검출될 수 있으나, 활성화된 PU가 네트워크로부터 멀리 이동하면, 이 PU는 특히 PU의 송신 전력이 낮을 때 네트워크 서비스 영역의 에지 부근 일부 CR 스테이션에 의해서만 검출될 수 있다. 그 결과, PU가 검출되었다고 가정할 때, PU를 검출한 스테이션들 중 적어도 하나의 스테이션이 네트워크 서비스 영역의 경계 부근에 있을 가능성이 높다. 한편, 서로 인접한 스테이션들은 거의 동일한 센싱 결과를 가지는 것으로 예상된다. 즉, 인접한 스테이션들의 센싱 결과들은 강하게 상관된다. AP가 스테이션들의 센싱 결과들을 조합할 때 OR 규칙에 기초하여 엄격한 결정을 한다고 할 때, 인접한 스테이션들 중에서 단 하나의 스테이션만이 채널 센싱을 위해 선택될 필요가 있다. 그러므로 본 발명에서는 네트워크 서비스 영역의 전체 경계 영역에서 k^*개의 스테이션들을 균일하게 선택하는 정책을 취한다.

상기 선택 정책은 각 CR 스테이션의 위치를 AP가 알고 있을 때, 예를 들어, 모든 스테이션이 GPS 디바이스를 장착하고 있을 때 용이하게 구현될 수 있다. 그러나 본 발명에서는 스테이션의 위치에 대한 선험적 정보 없이 이 정책을 구현하는 매우 간단한 구조를 제안한다. 본 발명에서 제안된 구조에서 AP는 스테이션에서 수신된 PU 신호 에너지에 기초하여 네트워크 내 CR 스테이션의 상대적인 위치를 추정한다. PU는 CR 네트워크로부터 먼 위치에서 활성화될 가능성이 더 높으므로, 네트워크 경계에 있는 스테이션이 AP 부근 스테이션보다 더 높은 전력으로 PU 신호를 더 자주 수신할 것으로 예상된다. 한편, 일부 스테이션은 다른 스테이션의 것보다 더 높은 유사한 수신된 PU 신호 에너지를 가질 때, 이들 스테이션은 다른 스테이션보다 PU에 더 인접할 뿐만 아니라 서로 인접한 스테이션일 수 있다. 인접한 스테이션들 중에서 단 하나의 스테이션이 센싱을 위해 선택될 필요가 있으므로, 본 발명에서는 이들 스테이션들 중에서 최대로 수신된 PU 신호 에너지를 갖는 스테이션만을 취한다. 이 개념을 구현하기 위해 AP는 스테이션이 네트워크 수명 동안 모든 스테이션 중에서 최대 전력을 갖는 PU 신호를 수신한 횟수를 각 스테이션에 대해 관리한다.

이제, 제안된 SR 스테이션 선택 과정(S300)의 상세한 절차를 설명한다. 도 2에서 볼 수 있듯이, 각 프레임은 기본적으로 하나의 센싱 윈도(첫 번째 SW)를 가지며, 만약 하나 이상의 SR 스테이션이 이 첫 번째 SW를 통해 국부적인 PU 검출을 보고하면, 추가적인 센싱 윈도(제 2 SW)가 프레임에 할당된다. 제 2 SW 동안, 모든 스테이션은 채널 센싱에 참가하지만, 단지 선택된 k^* 개의 스테이션만이 그 센싱 결과를 보고한다. 하나 이상의 스테이션이 제 2 SW 동안 국부적인 PU 검출을 보고하면, AP는 채널 스위칭을 지시한다. 채널 스위칭 직후, 모든 스테이션은 이전 채널의 제 2 SW 동안 측정된 수신된 PU 신호 에너지를 보고한다. AP는 CR 네트워크가 채널 상에 유지되는 동안 단 한 번만 각 스테이션으로부터 수신된 PU 신호 에너지를 수집할 수 있다.

임의의 스테이션(i)에 대해, AP는 c_i, h_i 및 Γ_i의 3개의 값을 유지하며, 여기서 c _i 는 스테이션(i)이 측정된 PU 신호 에너지를 보고한 횟수를 나타내고, h _i 는 스테이션(i)이 전체 스테이션 중에서 최대로 수신된 PU 신호 에너지를 가지는 경우를 카운트한 것이며, Γ_i는 h _i /c _i 의 이동 평균이다. 모든 스테이션으로부터 측정된 PU 신호 에너지를 수신할 때, AP는 c _i 와 h _i 의 값을 업데이트한다. 즉, 모든 i에 대해 c _i = c _i + 1이고 최대로 수신된 PU 신호 에너지를 갖는 스테이션 n에 대해 h _n = h _n + 1이다. 그러면, AP는 모든 i에 대해

로서 모든 스테이션의 이동 평균을 업데이트하며, 여기서 α는 최근 값에 가중치를 부여하는 파라미터이며 0＜α≤1이다. 마지막으로, AP는 SR 스테이션으로서 최대 Γ_i의 순서로 k^* 개의 스테이션을 선택한다. 이 SR 스테이션의 선택은 채널 스위칭이나 임의의 SR 스테이션이 네트워크로부터 해제된 후 Γ_i의 값이 업데이트될 때마다 수행된다.

본 발명자는 시뮬레이션을 사용하여 본 발명에서 제안한 구조의 성능을 평가하였다. CR 네트워크는 20개의 스테이션으로 구성되고 6MHz의 대역폭을 갖는 채널에서 동작한다. CR 네트워크의 서비스 영역과 간섭 영역은 100m 및 Rm의 반경을 갖는 원으로 각각 가정된다. 시뮬레이션 실행의 시작에서, CR 스테이션은 네트워크 서비스 영역에 균일하게 분포된다. 시뮬레이션 실행은 CR 네트워크가 채널 스위칭을 4000번 수행하는 시간 간격을 위해 진행된다. PU가 동작 채널에 나타나면, PU의 위치는 CR 네트워크의 간섭 영역에서 랜덤하게 선택된다. 본 발명에서는 CR 스테이션이 매우 낮은 이동을 갖고 각 CR 스테이션의 위치가 동작 채널 상에 유지되면서 2개의 연속적인 PU의 나타남 사이에 임의의 방향으로 1m 범위 내에서 랜덤하게 변한다고 가정한다.

PU의 송신 전력은 무선 마이크로폰의 일반적인 송신 전력인 10mW로 설정된다. 채널을 모델링할 때, 우리는 -3.5의 지수(exponent)와 -29.2dB의 상수와 4dB의 표준 편차를 갖는 로그노말 셰도잉(lognormal shadowing)을 갖는 경로 손실을 고려한다. 시간 슬롯(τ_S)의 길이는 26바이트의 센싱 보고 메시지, BPSK 변조 및 1/2 레이트 코딩을 가정했을 때 69.4㎲로 주어진다. 나아가, 2개의 시간 슬롯 사이의 갭(τ_I)은 IEEE 802.11에서 짧은 프레임간 공간과 같도록 10㎲로 설정된다. 잡음 밀도는 -163dBm/Hz이며 α는 0.2로 설정된다.

도 3은 시뮬레이션 실행 종료에 얻어진 제안된 선택 구조에서의 SR 스테이션의 분포 예를 도시한다. 사용된 파라미터 값은 T _SW =850㎲이고, R=280m이며, 요구된 최종 잘못된 알람 확률 θ = 0.01이다. 이들 파라미터 값에 의해 SR 스테이션의 최적의 개수는 7이다. 본 발명에서 SR 스테이션이 제안된 선택 구조의 설계 목표인 서비스 영역의 전체 경계 영역에서 다소 균일하게 분포되는 것을 볼 수 있다.

SR 스테이션의 수(k)가 PU 검출 성능에 가지는 영향을 살펴보면 다음과 같다. 도 4는 T _SW = 850㎲이고 R=280m일 때 주어진 최종 잘못된 알람(false alarm) 확률에 대한 최종 PU 검출 미스(miss detection) 확률을 도시한 것이다. 이 도면에서 k개의 스테이션은 채널 센싱 및 결과 보고를 위해 CR 네트워크 내에서 랜덤하게 선택된다. 본 발명에서 PU 검출 성능이 SR 스테이션의 수에 크게 좌우되고 네트워크는 SR 스테이션의 수를 최적으로 결정하여 PU를 더욱 잘 보호할 수 있는 것을 볼 수 있다.

도 5는 θ = 0.01이고 R=280m일 때 T _SW 에 따른 최종 PU 검출 미스 확률을 도시한 것이다. 주어진 T _SW 에서 T _Q >0인 상태에서 얻어진 SR 스테이션의 최대 수를 가지고 QP의 길이는 과도한 보고 오버헤드로 인해 매우 짧게 된다. 이것은 각 SR 스테이션에서 부정확한 국부 센싱 결과를 초래하며 이에 따라 PU 검출 성능은 SR 스테이션의 최대 개수로 오히려 저하된다. 이미 도 4에 도시된 바와 같이, SR 스테이션의 개수를 최적으로 제어함으로써 CR 네트워크는 동일한 T _SW 를 갖는 더 우수한 PU 검출을 할 수 있다. 나아가, PU 검출 성능은 제안된 선택 구조를 갖는 CR 네트워크의 전체 경계 영역에서 SR 스테이션을 균일하게 선택함으로써 더 개선될 수 있다.

한편, 본 발명에서는 3개의 구조 모두에서 T _SW 가 증가할 때 검출 미스 확률이 감소하는 것을 볼 수 있다. 이것은 T _SW 이 크면 클수록 협력 센싱에 참가하는 스테이션의 수가 증가하고 및/또는 센싱 시간이 길어지기 때문이다. 그러나, T _SW 가 더 커짐에 따라 CR 네트워크의 데이터 송신에 드는 시간 부분인 CR 네트워크의 최대 채널 이용은 감소한다는 것이 주목된다.

도 6은 θ = 0.01이고 T _SW =850㎲일 때 CR 네트워크의 간섭 영역의 사이즈가 최종 PU 검출 미스 확률에 미치는 영향을 조사한 것이다. 네트워크 간섭의 사이즈는 무선 환경을 포함한 여러 요인에 좌우된다는 것이 주목된다. 예를 들어, CR 시스템의 더 높은 송신 전력은 더 넓은 간섭 영역을 초래할 수 있다. PU가 더 큰 R을 갖는 CR네트워크로부터 더 넓은 영역에 걸쳐 분포되고, 이것은 SR 스테이션이 너무 약한 PU 신호를 수신하여 검출할 수 없을 가능성을 높이므로, PU 검출 미스 확률이 3개의 구조 모두에서 R이 증가함에 따라 더 높아지는 것은 당연하다. 나아가, 도 6으로부터 제안된 구조를 갖는 CR 네트워크는 R의 값에 상관없이 최상의 성능을 달성한다는 것을 볼 수 있다.

주지한 바와 같이, 본 발명에 따르면 협력 센싱을 사용하는 CR 네트워크를 위한 효율적인 센싱 관리 구조를 제안하였다. 센싱 및 결과 보고에 드는 총 시간이 주어질 때 제안된 구조는 협력하는 센싱 스테이션의 최적의 개수를 찾음으로써 PU 검출 성능을 크게 개선시킨다. 나아가, CR 네트워크의 경계 영역에 걸쳐 센싱 스테이션을 균일하게 선택함으로써, CR 네트워크는 임의의 위치에서 활성화되는 낮은 송신 전력을 갖는 PU라도 정확하게 검출할 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (7)

1. 협력 센싱 스테이션을 선택하는 액세스 포인트(AP)와 우선 사용자(PU) 검출을 위한 센싱을 수행하는 다수의 스테이션으로 이루어진 무선인지 시스템에서 협력 센싱하는 방법에 있어서,
   상기 다수의 스테이션에서 센싱을 수행하고, 테스트 통계 값에 기반하여 우선 사용자가 검출된 경우 센싱 보고 메시지를 생성하여 상기 액세스 포인트에 전송하는 우선 사용자 검출과정과;
   상기 액세스 포인트에서 센싱 보고 메시지를 수집하고, 잘못된 알람 확률을 만족시키면서 최종 우선 사용자 검출 확률을 최대화하는 스테이션 개수를 추출하는 스테이션 개수 최적화과정과;
   상기 액세스 포인트에서 추출한 스테이션으로부터 수집한 센싱 결과들 사이의 상관관계와 활성화된 우선 사용자의 지리적 분포를 고려하여 협력 센싱에 참가할 센싱 및 보고 스테이션을 선택하는 협력 센싱 스테이션 선택과정을 포함하고,
   상기 우선 사용자 검출과정은,
   에너지 검출기를 이용하여 수신된 신호의 에너지를 기반으로 테스트 통계 값을 산출하는 단계와;
   상기 산출한 테스트 통계 값을 가우시안 랜덤 변수로 모델링하고, 상기 테스트 통계 값에 기반하여 우선 사용자 검출에 대한 국부적인 결정을 수행하는 단계와;
   상기 국부적인 결정 결과, 우선 사용자가 존재한다고 결정되면 우선 사용자 검출 비트를 포함하는 센싱 보고 메시지를 생성하여 상기 액세스 포인트에 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선인지 시스템에서 협력 센싱 방법.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서, 상기 우선 사용자 검출과정은,
   상기 액세스 포인트로부터 시스템-와이드(system-wide) 우선 사용자 검출 알람이 수신되면, 첫 번째 알람인지 두 번째 알람인지를 확인하여, 첫 번째 알람인 경우 추가적인 채널 센싱과 보고를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선인지 시스템에서 협력 센싱 방법.
   
4. 청구항 1에 있어서, 상기 스테이션 개수 최적화 과정은,
   채널 센싱을 위한 정적 기간(QP)의 길이를 산출하는 단계와;
   상기 산출한 정적 기간 길이를 기반으로 잘못된 검출 알람을 송출할 확률을 산출하는 단계와;
   채널 센싱과 보고에 참가하는 센싱 및 보고 스테이션의 우선 사용자 검출 확률을 산출하는 단계와;
   상기 잘못된 검출 알람을 송출할 확률과 상기 우선 사용자 검출 확률을 기반으로 최종 잘못된 알람 확률과 최종 우선 사용자 검출 확률을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선인지 시스템에서 협력 센싱 방법.
   
5. 청구항 4에 있어서, 상기 스테이션 개수 최적화 과정은,
   스펙트럼 센싱 및 결과 보고에 드는 총 시간을 이용하여, 최종 잘못된 알람 확률을 만족시키면서 최종 우선 사용자 검출 확률을 최대화할 수 있는 센싱 및 보고 스테이션의 개수를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선인지 시스템에서 협력 센싱 방법.
   
6. 청구항 1에 있어서, 상기 협력 센싱 스테이션 선택과정은,
   스테이션에서 수신된 우선 사용자 신호 에너지에 기초하여 네트워크 내 CR 스테이션의 상대적인 위치를 추정하는 단계와;
   센싱 및 보고 스테이션 중에서 최대로 수신된 우선 사용자 신호 에너지를 갖는 스테이션만 추출하고, 최대 전력을 갖는 우선 사용자 신호를 수신한 회수를 관리하는 단계와;
   각각의 스테이션이 우선 사용자 신호 에너지를 보고한 횟수와, 전체 스테이션 중에서 최대로 수신된 우선 사용자 신호 에너지를 보고한 횟수를 기반으로 이동 평균을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선인지 시스템에서 협력 센싱 방법.
   
7. 청구항 6에 있어서, 상기 협력 센싱 스테이션 선택과정은,
   미리 산출하여 저장한 최적의 센싱 및 보고 스테이션의 개수에 대응하게 상기 이동 평균이 큰 순서대로 센싱 및 보고 스테이션을 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선인지 시스템에서 협력 센싱 방법.

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