KR101337099B1

KR101337099B1 - 주파수 영역에서 상관계수와 왜도를 이용한 스펙트럼 감지 방법

Info

Publication number: KR101337099B1
Application number: KR1020120098269A
Authority: KR
Inventors: 이승준; 최우형
Original assignee: 강원대학교산학협력단
Priority date: 2012-09-05
Filing date: 2012-09-05
Publication date: 2013-12-16

Abstract

본 발명은 무선 통신 분야에서 인지 무선 기술에 있어서 스펙트럼 감지 방법에 관한 것으로서, 주파수 영역에서 상관계수와 왜도를 이용하여 스펙트럼을 감지하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면 주파수 영역에서 상관계수와 왜도를 이용하여 스펙트럼을 감지함으로써, IEEE 802.22 WRAN에서 지정한 임계치를 만족하여 White space 상의 1차 사용자에게 발생하는 피해를 감소시킴과 동시에 여러 무선기기들이 주파수 대역을 공유하여 사용할 수 있기 때문에 한정된 자원인 주파수 대역을 효율적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.

Description

주파수 영역에서 상관계수와 왜도를 이용한 스펙트럼 감지 방법 {Method for sensing spectrum using correlation coefficients and skewness in frequency domain}

본 발명은 무선 통신 분야에서 인지 무선 기술에 있어서 스펙트럼 감지 방법에 관한 것이다.

현대 사회에서 무선통신 기술은 많은 편리함을 제공하고 일상 생활에 있어서 중요한 일부분으로 자리잡고 있다.

하지만 무선통신 기술이 발전함에 따라 유한한 자원인 주파수 대역의 수요는 증가하고 있으며, 이로 인하여 유한한 자원인 주파수 대역이 부족하게 되었다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 2008년 11월 미국 연방 통신 위원회(FCC)에서는 사용하지 않는 TV 스펙트럼 대역인 White Space에서 1차 사용자(Primary user)가 사용하지 않을 때를 검출하여 2차 사용자(Secondary user)가 사용할 수 있도록 허가하였다.

이러한 인지 무선에 있어서 가장 중요한 것은 1차 사용자의 신호가 보호되어야 한다는 것이다. 이를 위하여 빠르고 정확도 높은 검출방법을 필요로 하게 된다. White Space의 1차 사용자로는 NTSC 아날로그 TV 신호, ATSC 디지털 TV 신호, WM(Wireless Microphone) 등이 있다.

ATSC(Advanced Television System Committee)는 지상파 디지털TV 방송 전송방식 중 하나이다. 원래 ATSC는 지난 83년 TV방송사, 가전사 등이 미국의 첨단 TV표준제정을 위하여 구성한 위원회의 명칭으로, 95년 동위원회에서 마련한 표준안을 96년 미연방통신위원회(FCC)가 미국 디지털 TV방식으로 채택하면서 미국의 디지털 TV 방식을 통칭하는 말이 됐다.

ATSC 규격의 핵심요소는 비디오 및 오디오의 압축, 전송 등에 관한 것으로 영상신호는 MPEG2, 음향 및 음성신호는 AC-3로 압축하고, 이러한 신호를 실어보내는 전송기술로는 VSB(Vestigial Side Band)기술을 사용한다.

ATSC 방식은 신호포맷이 18개로 다양해 동시에 여러 채널의 방송이 가능하며 영상, 데이터방송도 가능하다. 유럽방식에 비해 전송속도가 빠르고, 개인용컴퓨터 (PC)와 호환성이 높고 국내 아날로그방송 채널과 주파수대역(6MHZ)이 동일해 국내 적용이 용이한 방식이다. 우리나라의 지상파 디지털 TV 전송방식도 ATSC이다.

한편, 인지 무선에서는 정해진 검출 조건이 명시되어 있는데, 예를 들어 잡음 전력이 6MHz의 대역에서 약 -96dBm이라고 하면, ATSC 신호의 경우 -116dBm의 전력이고 SNR은 -20dB라는 상황에서 PD(Probability of detection)가 90% 이상을 만족하여야 한다. 그리고 검출시간은 2초 이내로 제안하고 있다.

이처럼, 인지 무선에 있어서 가장 중요한 것이라고 할 수 있는 1차 사용자 신호 검출에 대하여 보다 정확하고 신뢰성 있는 검출 방식을 필요로 한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 주파수 영역에서 ATSC 파일럿 신호를 이용하여 신호를 감지하는 방법에 있어서, 기존 방식에 비해 보다 정확하고 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 상관계수와 왜도를 이용한 스펙트럼 감지 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 주파수 영역에서 ATSC(Advanced Television System Committee) 파일럿(pilot) 신호에 대한 스펙트럼 감지 방법에 있어서, 수신된 IF(Intermediate Frequency) 신호를 파일럿(pilot) 신호 주파수인 -f_pilot 만큼 주파수 이동시키는 제1단계, 상기 주파수 이동한 신호를 LPF(Low-pass filter)를 통해 필터링 후에 다운 샘플링(down-sampling)하는 제2단계, N_FFT 는 FFT(Fast Fourier Transform) 각 시간 구간의 길이이고, N_dwell 은 검출에 사용된 시간 구간의 개수라고 할 때, 상기 다운 샘플링된 신호를 N_FFT개씩 N_dwell 개의 구간으로 분할하는 제3단계, 다음, 각 시간 구간별로 FFT를 수행하고, FFT 샘플값의 절대값 제곱을 취하는 제4단계, 상기 FFT 샘플값의 절대값 제곱을 취한 것 중에서 파일럿 주변 성분만을 선택하는 제5단계, 상기 선택된 파일럿 주변 성분에 대하여 상기 각 시간 구간별로 왜도(skewness) 값을 구하는 제6단계, 변수 R(decision statistic)을 계산하는 제7단계 및 상기 R을 미리 정해진 임계값과 비교하여 신호 유무를 결정하는 제8단계를 포함하되, 상기 제1단계는, f_s는 샘플링 주파수(sampling frequency)라고 할 때,

의 수식으로 표현되고, 상기 제3단계는,

의 수식으로 표현되고, 상기 제4단계는,

의 수식으로 표현되고, 상기 제5단계를 통해 N_FFT개의 샘플 중에서 파일럿 주변성분 N_pilot 개의 샘플만 남게 되고, 상기 제6단계는,

,

이라고 할 때,

의 수식으로 표현되고, 상기 제7단계에서 ρ_Zn _, _Zk는

일 때, R은

의 수식으로 계산된다.

상기 제8단계에서, R≥임계값 이면 신호가 존재하는 것으로 결정하고, R< 임계값 이면 신호가 존재하지 않는 것으로 결정할 수 있다.

본 발명에 의하면 주파수 영역에서 상관계수와 왜도를 이용하여 스펙트럼을 감지함으로써, IEEE 802.22 WRAN에서 지정한 임계치를 만족하여 White space 상의 1차 사용자에게 발생하는 피해를 감소시킴과 동시에 여러 무선기기들이 주파수 대역을 공유하여 사용할 수 있기 때문에 한정된 자원인 주파수 대역을 효율적으로 사용할 수 있는 효과가 있다. 즉, 한정된 주파수 대역을 사용할 때 이용자가 증가함에 따라 무선통신 서비스의 속도가 저하되는 문제점이 있는데, 스펙트럼 감지를 통해 부족한 주파수 대역 문제를 해결하여 결과적으로 무선통신 서비스의 전반적인 질을 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 영역에서 상관계수와 왜도를 이용한 스펙트럼 감지 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 2 내지 도 7은 시뮬레이션에 의해 본 발명에서 제안하는 알고리즘과 기존 알고리즘의 성능을 도시한 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조해서 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

본 발명은 인지 무선 기술에 관한 것으로서, 주파수 영역에서 신호 상관계수(Correlation Coefficient)와 왜도(Skewness)를 이용한 스펙트럼 감지 방법을 제안한다. 이러한 본 발명의 스펙트럼 감지 방법은 일종의 알고리즘으로 구현된다. 그리고, 본 발명의 스펙트럼 감지 방법은 소프트웨어로 구현될 수 있고, 수행 주체는 무선 통신과 관련된 장비가 될 수 있으며, 구체적으로는 무선 통신 관련 장비에 포함된 CPU, 제어부 등이 될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 영역에서 상관계수와 왜도를 이용한 스펙트럼 감지 방법을 보여주는 흐름도이다.

본 발명의 스펙트럼 감지 방법은 ATSC(Advanced Television System Committee) 파일럿(pilot) 신호에 대하여 스펙트럼을 감지하는 방법이다.

먼저, 수신된 IF(Intermediate Frequency) 신호를 -f_pilot 만큼 주파수 이동시킨다(S101). 이러한 단계는 다음 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, f_s는 샘플링 주파수(sampling frequency)이다.

다음, LPF(Low-pass filter)를 통해 필터링 후에 다운 샘플링(down-sampling)한다(S103).

다운 샘플링된 신호를 N_FFT개씩 N_dwell 개의 구간으로 분할한다(S105). 이를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.

여기서, N_FFT 는 FFT(Fast Fourier Transform) 각 시간 구간의 길이이고, N_dwell 은 검출에 사용된 시간 구간의 개수이다.

다음, 각 시간 구간별로 FFT를 수행하고, FFT 샘플값의 절대값 제곱을 취한다(S107). 이를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.

다음, Z_n[k] 중에서 파일럿 주변 성분만을 선택한다(S109). S109 과정을 통해 N_FFT개의 샘플 중에서 파일럿 주변성분 N_pilot 개의 샘플만 남게 된다.

그리고, 각 시간 구간별로 왜도(skewness) 값을 구한다(S111). 이를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.

여기서,

,

이다.

다음, 변수 R(decision statistic)을 계산한다(S113). 변수 R을 계산하는 수식은 다음과 같다.

여기서, p_Zn _, _Zk는 다음 수식과 같다.

마지막으로, R을 임계값과 비교하여 신호의 유무를 결정한다(S115).

구체적으로, R≥임계값 이면 신호가 존재하는 것으로 결정하고, R< 임계값 이면 신호가 존재하지 않는 것으로 결정한다.

도 2 내지 도 7은 시뮬레이션에 의해 본 발명에서 제안하는 알고리즘과 기존 알고리즘의 성능을 도시한 그래프이다. 성능 비교를 위해 12개의 ATSC 캡쳐 파일을 사용하였다.

도 2에서는 본 발명에서 제안하는 알고리즘과 기존의 SCS(Spectral Covariance Sensing) 알고리즘의 성능을 동일하게 SCS에서 제안하는 40kHz대역의 저역 통과필터와 1/10의 다운샘플링을 가지는 상황에서 P_FA=10%로 고정하고, P_MD 성능을 비교한다. N_FFT는 1ms 길이인 2048, N_dwell은 30ms 길이인 30을 고려한다. 이때 수학식 5에서 p=3을 사용하였다.

성능 결과 P_MD=10%을 얻기 위해 필요한 SNR을 두 알고리즘에서 비교해 볼 때, SCS는 -18dB가 필요하고, 본 발명에서 제안하는 방법은 -20dB가 필요하므로, 본 발명의 알고리즘이 SCS보다 2dB의 성능이득을 갖는다.

도 3에서는 P_FA=5%로 고정하고, 40kHz의 저역통과 필터와 1/400의 다운 샘플링을 사용하여 파일럿 위치 검출 방법과 성능을 비교한다. 두 방법은 동일하게 N_FFT가 5ms의 길이인 256를 사용하고 N_dwell은 6을 사용하여 30ms의 동일한 검출시간에서 성능을 비교한다. 결과적으로 본 발명에서 제안하는 방법이 SNR이 -23dB가 필요하고, 파일럿 위치 검출 방법이 -21dB가 필요하므로 2dB의 성능 이득을 갖는다.

도 4에서는 고차 통계특성을 이용한 검출 방법과의 비교로 본 발명에서 제안하는 방법은 앞에 도 3에서 사용한 저역통과 필터와 다운샘플링을 사용하였으며, N_FFT가 5ms의 길이인 256를 사용하고 N_dwell은 2을 사용하여 10ms의 검출 시간을 가진다. 고차 통계특성을 이용한 검출방법은 기존 검출방법에서 제안하는 방법을 사용하여 동일한 10ms의 검출시간에서 성능을 비교한다. P_MD가 10%를 만족하데 필요한 SNR은 기존의 고차통계특성을 이용한 검출방법은 -18dB의 SNR을 필요로 하며, 제안하는 검출방법은 -19dB로 1dB의 성능 이득을 갖는다.

상관계수와 왜도를 이용한 스펙트럼 검출 방법은 수학식 5의 p 값에 따라 다른 성능을 가진다.

도 5는 SNR이 -20dB로 동일하고, p의 값이 1에서 5의 범위인 실시예로, p 의 값에 따라 다른 성능을 보여주고 있다. 사용된 저역통과필터 대역은 40kHz, 1/10의 다운샘플링을 사용하였다. 이때, P_FA=10%에서 N_FFT는 1ms인 2048의 길이를 가지고, N_dwell은 30을 사용하여 검출시간이 30ms이다.

도 6에서는 P_FA가 10%일 때, N_FFT와 N_dwell에 따른 성능을 보여주고 있다. 이때 40kHz의 저역통과 필터와 1/400의 다운샘플링을 사용하였다.

도 6에서 성능요구조건이 SNR=-20dB에서 P_FA=10%, P_MD=10%, 검출시간이 2초 이내라고 하면, 검출시간이 제안하는 시간보다 짧은 20ms 이상일 때, 성능요구조건을 만족하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 검출시간이 20ms에서 5ms×4와 10ms×2의 검출 방법은 P_MD가 10%를 만족하는 SNR이 -22dB로 조건을 만족한다. 또한, 검출시간이 30ms에서 5ms×6와 10ms×3은 -23dB이고, 5ms×12에서 -24.3dB, 10ms×6에서 -25dB로 충분히 조건을 만족하는 성능을 나타내고 있다.

신호검출 방법은 높은 잡음 불확실성에 대해서도 고려되어야 한다. 잡음 불확실성이란 온도의 변화에 따른 잡음의 변화 또는 교정 오차(calibration error)에 의하여 발생된다.

도 7에서는 잡음 불확실성이 0과 2일 때, 즉 잡음 전력의 추정 오차가 전혀 없을 때와 -2dB에서 2dB의 균일한 분포의 오차가 있을 때의 성능을 보여준다.

5ms에 대해 N_dwell은 4, 6, 12로 검출시간이 20ms, 30ms, 60ms에서의 성능을 비교하여 나타내고 있다.

일반적으로 잡음전력 추정 오차는 최적의 임계값이 아닌 잘못된 임계값을 선택하게 하여 성능을 저하시킬 수 있다. 하지만, 본 발명에서 제안하는 검출 방법의 성능은 잡음 불확실성에 크게 영향을 받지 않는다. 특히 검출시간이 증가하면 잡음 불확실성에 거의 영향을 받지 않음을 확인할 수 있다.

이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.

Claims

주파수 영역에서 ATSC(Advanced Television System Committee) 파일럿(pilot) 신호에 대한 스펙트럼 감지 방법에 있어서,
수신된 IF(Intermediate Frequency) 신호를 파일럿(pilot) 신호 주파수인 -f_pilot 만큼 주파수 이동시키는 제1단계;
상기 주파수 이동한 신호를 LPF(Low-pass filter)를 통해 필터링 후에 다운 샘플링(down-sampling)하는 제2단계;
N_FFT 는 FFT(Fast Fourier Transform) 각 시간 구간의 길이이고, N_dwell 은 검출에 사용된 시간 구간의 개수라고 할 때, 상기 다운 샘플링된 신호를 N_FFT개씩 N_dwell 개의 구간으로 분할하는 제3단계;
다음, 각 시간 구간별로 FFT를 수행하고, FFT 샘플값의 절대값 제곱을 취하는 제4단계;
상기 FFT 샘플값의 절대값 제곱을 취한 것 중에서 파일럿 주변 성분만을 선택하는 제5단계;
상기 선택된 파일럿 주변 성분에 대하여 상기 각 시간 구간별로 왜도(skewness) 값을 구하는 제6단계;
변수 R(decision statistic)을 계산하는 제7단계; 및
상기 R을 미리 정해진 임계값과 비교하여 신호 유무를 결정하는 제8단계를 포함하되,
상기 제1단계는, f_s는 샘플링 주파수(sampling frequency)라고 할 때,
의 수식으로 표현되고,
상기 제3단계는,
의 수식으로 표현되고,
상기 제4단계는,
의 수식으로 표현되고,
상기 제5단계를 통해 N_FFT개의 샘플 중에서 파일럿 주변성분 N_pilot 개의 샘플만 남게 되고,
상기 제6단계는,
,
이라고 할 때,
의 수식으로 표현되고,
상기 제7단계에서 ρ_Zn _, _Zk는
일 때, R은
의 수식으로 계산되는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 감지 방법.
제1항에 있어서,
상기 제8단계에서, R≥임계값 이면 신호가 존재하는 것으로 결정하고, R< 임계값 이면 신호가 존재하지 않는 것으로 결정하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 감지 방법.