KR101531396B1 - 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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이선의
박지호
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Abstract

본 발명은 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 장치 및 그 제어 방법 에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따르면, 면허 단말기가 발신하는 통신 신호로부터 전력 에너지를 획득하는 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 장치에 있어서, 상기 인지 무선 장치의 각 부를 제어하는 제어부, 상기 제어부의 제어에 의해 외부와 정보를 송수신하는 통신부, 상기 제어부의 제어에 의해 통신 수신 신호를 전력 에너지로 변환하는 에너지 수신부 및 상기 전력 에너지를 저장하는 전원부를 포함하고, 압축 센싱 기법을 이용하여 상기 면허 단말기의 통신 신호로부터 각 주파수 대역 별 에너지 분포를 감지하고, 상기 각 주파수 대역 별 에너지 분포 정보를 퓨전 센터로 전송하고, 상기 퓨전 센터로부터 주파수 대역 사용 정보를 수신하되, 상기 주파수 대역 사용 정보는 적어도 하나의 인지 무선 장치로부터 수신한 상기 주파수 대역 별 에너지 분포 정보에 기초하여 상기 면허 단말기가 사용하고 있는 주파수 대역을 판별한 정보인 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 장치를 제공할 수 있다.

Description

에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 장치 및 그 제어 방법{A cognitive radio device for energy harvesting and a method for controlling thereof}
본 발명은 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 장치 및 그 제어 방법 에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 수행시 압축 센싱 기법을 사용하는 인지 무선 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
정보 통신 기술의 발달에 따라 모든 전기전자 단말기의 무선 통신이 일반화되고 있으며, 우리가 생각할 수 있는 거의 모든 제품에 무선 통신을 위한 모듈이 삽입될 수 있다. 이렇듯, 무선 통신을 위한 주파수 대역에 대한 수요는 증가하고 있지만 주파수 대역은 한정되어 있으므로, 상기 한정된 주파수 대역을 누가 사용할 것인지에 대한 갈등이 심화되고 있는 실정이다.
최근, 한정된 주파수 대역을 효율적으로 사용하는, 주파수 대역의 ‘유연한 사용(flexible use)’이라는 아이디어가 대두되고 있다. 통신을 위해 할당된 주파수 대역이 항상 사용중인 것은 아니므로, 상기 유휴 주파수 대역을 비면허 단말기로 하여금 사용케 한다는 것이다. 이를 위해, 상기 비면허 단말기는 현재 주파수 대역이 사용 중인지 여부를 판단할 필요가 있다. 이와 관련된 기술이 인지 무선(cognitive radio)이다.
한편, 각종 통신 단말기에서 발생되는 전파를 수집하여 이를 전기 에너지로 변환하는 기술을 무선 에너지 하베스팅(RF energy harvesting)이라고 한다. 최근, 대부분의 사람들이 스마트폰을 비롯하여 적어도 하나의 무선 단말기를 사용하고 있는데, 각 단말기를 매번 별도로 충전하는 것이 상당히 번거로울 때가 있다. 상기 무선 에너지 하베스팅 기술을 각 단말기에 적용함으로써 사용자는 보다 용이하게 각 단말기의 전력 충전량을 관리할 수 있다.
상기 무선 에너지 하베스팅 기술이 보편화되기 위해서는 우선적으로 해결되어야 할 과제가 있다. 우리는 각종의 무선 단말기가 혼재되어있는 통신 환경을 가정해볼 수 있다. 이 때, 특정 무선 장치들 사이에서 무선 통신 등이 수행되는 경우, 사용중인 주파수 대역을 다른 무선 단말기에서 사용하지 못하도록 해야 한다. 특히, 상기 다른 무선 단말기가 해당 주파수 대역을 사용하도록 허가된 면허 단말기가 아닌 경우, 이 문제는 더욱 심화될 수 있다. 이를 해결하기 위해 인지 무선 기술이 적용될 수 있다.
현재까지 상기 무선 에너지 하베스팅 및 상기 인지 무선 각각에 대한 연구가 진행되어 왔다. 하지만, 무선 에너지 하베스팅과 인지 무선 기술을 동시에 고려한 시스템에 대한 연구는 아직 본격적으로 진행되고 있지 않다. 또한, 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선시 광대역 주파수 스펙트럼 분석을 효과적으로 수행할 수 있는 방법에 관한 연구도 함께 진행될 필요가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 통신 단말기에서 발신되는 발신 신호로부터 전력 에너지를 생성하는 에너지 하베스팅을 효과적으로 수행하는 한편, 각 통신 단말기 사이에 신호의 혼선이 없는 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 장치 및 그 제어 방법을 제공하고자 하는 목적을 가지고 있다.
이에 더하여 본 발명은, 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선을 수행할 때 보다 효과적으로 광대역 주파수 스펙트럼 분석을 수행할 수 있는 인지 장치 및 그 제어 방법을 제공하고자 하는 목적도 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따르면, 면허 단말기가 발신하는 통신 신호로부터 전력 에너지를 획득하는 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 장치에 있어서, 상기 인지 무선 장치의 각 부를 제어하는 제어부; 상기 제어부의 제어에 의해 외부와 정보를 송수신하는 통신부; 상기 제어부의 제어에 의해 통신 수신 신호를 전력 에너지로 변환하는 에너지 수신부; 및 상기 전력 에너지를 저장하는 전원부; 를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 에너지 수신부를 통해 수신된 상기 면허 단말기의 통신 신호로부터 각 주파수 대역 별 에너지 분포를 감지하고, 상기 통신부를 통해 상기 주파수 대역 별 에너지 분포 정보를 상기 인지 무선 장치들 간의 협력 통신(cooperative communication)을 위한 퓨전 센터(fusion center)로 송신하고, 상기 통신부를 통해 상기 퓨전 센터로부터 주파수 대역 사용 정보를 수신하되, 상기 주파수 대역 사용 정보는 상기 면허 단말기가 사용 중인 제1주파수 대역과 상기 면허 단말기가 사용하지 않는 제2주파수 대역에 대한 정보를 포함하며, 상기 통신부를 통해 제2 주파수 대역을 사용하여 타 인지 무선 장치와 무선 통신을 수행하고, 상기 에너지 수신부를 통해 상기 통신 수신 신호를 전력 에너지로 변환하되, 상기 통신 수신 신호는 상기 제1주파수 대역의 통신 수신 신호를 적어도 포함하고, 상기 제어부가 상기 각 주파수 대역 별 에너지 분포를 감지할 때 압축 센싱(compressed sensing) 기법을 사용하여 광대역 주파수 분석을 수행하고, 상기 주파수 대역 사용 정보는, 적어도 하나의 인지 무선 장치로부터 수신한 상기 주파수 대역 별 에너지 분포 정보에 기초하여 상기 면허 단말기가 사용하고 있는 주파수 대역을 판별한 정보인 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 장치를 제공할 수 있다.
여기서, 상기 인지 무선 장치는 상기 제어부의 제어에 의해 정보를 출력하는 출력부; 를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 통신부를 통해 상기 퓨전 센터로 상기 인지 무선 장치의 위치 정보를 더 송신하고, 상기 퓨전 센터로부터 상기 면허 단말기 위치 정보를 수신하고, 상기 출력부를 통해 상기 면허 단말기 위치 정보를 출력하되, 상기 면허 단말기 위치 정보는, 상기 면허 단말기가 사용한 주파수 대역을 감지한 인지 무선 장치의 위치 정보의 조합으로부터 유추된 것이다.
여기서, 상기 제어부는, 상기 상기 통신부를 통해 상기 퓨전 센터로부터 면허 단말기 지도 정보를 수신하고, 상기 전원부에 저장된 전력 에너지가 기 설정된 최저 전력값 미만인 경우 전력 에너지 부족을 경고하는 경고 신호를 생성하고, 상기 출력부를 통해 상기 경고 신호 및 상기 면허 단말기 지도 정보를 출력하되, 상기 면허 단말기 지도 정보는, 상기 면허 단말기 위치 정보, 상기 각 면허 단말기를 감지한 인지 무선 장치의 수, 상기 주파수 대역 별 에너지 분포 정보에 기초하여 생성되고, 기 설정된 시간 주기마다 갱신되는 것이다.
여기서, 상기 제어기는, 상기 출력부를 통해 상기 면허 단말기 지도 정보를 출력할 때, 주파수 대역 별 에너지 분포 정보가 기 설정된 에너지 세기 이상 검출된 위치 좌표 및 상기 면허 단말기 위치 정보 중 해당 면허 단말기를 감지한 인지 무선 장치의 수가 기 설정된 한계값 이상인 위치 좌표 중 적어도 하나를 더 출력한다.
여기서, 상기 제어부는, 상기 통신부를 통해 상기 인지 무선 장치로부터 기 설정된 거리 범위 내에 위치하는 타 인지 무선 장치의 식별 부호 정보를 상기 퓨전 센터로부터 수신하고, 압축 센싱을 수행할 주파수 대역을 상기 타 인지 무선의 수에 기초하여 하나의 기준 주파수 영역과 적어도 하나의 일반 주파수 영역으로 분할하고, 상기 통신부를 통해 상기 각 타 인지 무선 장치마다 서로 상이한 상기 일반 주파수 영역에 대한 압축 센싱을 수행할 것을 요청하는 제어 신호를 송신하고, 상기 면허 단말기의 통신 신호를 각 주파수 대역 별 에너지 분포를 계산할 때 상기 기준 주파수 영역에 대한 압축 센싱을 수행하고, 상기 기준 주파수 영역에 대한 주파수 대역 별 에너지 분포 정보를 상기 통신부를 통해 상기 퓨전 센터로 송신하고, 상기 통신부를 통해 상기 퓨전 센터로부터 상기 주파수 대역 사용 정보를 수신하되, 상기 주파수 대역 사용 정보는, 상기 기준 주파수 영역에 대한 주파수 대역 별 에너지 분포 정보 및 상기 일반 주파수 영역에 대한 주파수 대역 별 에너지 분포 정보의 조합으로부터 생성된 것이다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 면허 단말기가 발신하는 통신 신호로부터 전력 에너지를 획득하는 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 장치의 제어 방법에 있어서, 에너지 수신부를 통해 수신된 상기 면허 단말기의 통신 신호로부터 각 주파수 대역 별 에너지 분포를 계산하는 단계; 통신부를 통해 상기 주파수 대역 별 에너지 분포 정보를 상기 인지 무선 장치들 간의 협력 통신을 위한 퓨전 센터로 송신하는 단계; 상기 통신부를 통해 상기 퓨전 센터로부터 주파수 대역 사용 정보를 수신하는 단계, 여기서 상기 주파수 대역 사용 정보는 상기 면허 단말기가 사용 중인 제1주파수 대역과 상기 면허 단말기가 사용하지 않는 제2주파수 대역에 대한 정보를 포함함; 상기 통신부를 통해 제2 주파수 대역을 사용하여 타 인지 무선 장치와 무선 통신을 수행하는 단계; 및 상기 에너지 수신부를 통해 상기 통신 수신 신호를 전력 에너지로 변환하는 단계, 상기 통신 수신 신호는 상기 제1주파수 대역의 통신 수신 신호를 적어도 포함함; 를 포함하되, 상기 각 주파수 대역 별 에너지 분포를 계산하는 단계는 압축 센싱 기법을 사용하여 광대역 주파수 분석을 수행하는 단계이고, 상기 주파수 대역 사용 정보는, 적어도 하나의 인지 무선 장치로부터 수신한 상기 주파수 대역 별 에너지 분포 정보에 기초하여 상기 면허 단말기가 사용하고 있는 주파수 대역을 판별한 정보인 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 장치의 제어 방법이 제공될 수 있다.
본 발명에 따르면, 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 수행시 광대역 주파수 스펙트럼 분석을 수행할 수 있다.
이 때, 인접한 인지 무선 장치는 분할된 각 주파수 대역에 대한 주파수 스펙트럼 분석을 별도로 수행함으로써 인지 무선을 효율적으로 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 인지 무선 장치를 통해 면허 단말기의 위치 정보 및 면허 단말기 지도 정보를 출력할 수 있으며, 특히, 상기 인지 무선 장치의 전력 에너지 저장량이 부족한 것으로 판단되는 경우, 경고 신호와 함께 에너지 하베스팅을 효율적으로 수행할 수 있는 위치 정보를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 압축 센싱을 수행하기 전과 수행한 후 분석해야 할 주파수 대역의 차이를 나타낸 도면이다.
도 3은 면허 단말기가 사용한 주파수 대역을 감지한 인지 무선 장치의 위치 정보의 조합으로부터 면허 단말기 위치 정보를 유추하는 방식을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무선 단말기 지도 정보를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 주파수 대역을 적어도 하나의 주파수 영역으로 분할하는 방식을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 장치의 제어 방법을 나타낸 도면이다.
본 발명은 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 장치 및 그 제어 방법 에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인지 무선을 수행할 때 압축 센싱 기술을 적용함으로써 보다 효율적으로 가용 주파수 대역을 감지할 수 있고, 상기 분석된 결과에 기초하여 신호의 간섭이 없는 무선 통신 및 에너지 하베스팅을 수행할 수 있는 인지 무선 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 장치(100)를 나타낸 도면이다. 도 1에 따르면, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 장치(100)는 에너지 수신부(110), 통신부(120), 전원부(130) 및 제어부(140)를 포함할 수 있으며, 본 발명을 실시하는 방식에 따라서 출력부(150)를 더 포함할 수 있다. 각 구성요소는 서로 결합되어 하나로 구비될 수 있으며, 발명을 실시하는 방식에 따라서 일부의 구성요소가 생략될 수도 있다.
에너지 수신부(110)는 상기 제어부(140)의 제어에 의해 통신 수신 신호를 전력 에너지로 변환할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 에너지 수신부(110)는 렉테나(rectenna)로 구비될 수 있다. 여기서, 렉테나는 정류기(rectifier)와 안테나(antenna)의 합성어로, 수신한 전파를 정류 회로를 통해 전력 에너지로 변환할 수 있다.
통신부(120)는 상기 제어부(140)의 제어에 의해 외부와 정보를 송수신할 수 있다. 통신부(120)는 다양한 통신 방식을 통해 외부와 정보를 송수신할 수 있다. 바람직한 실시예에 따르면, 상기 통신부(120)는 무선 통신을 수행할 때, 블루투스(Bluetooth), 와이파이(WIFI), 지그비(ZigBee), 가시광 통신 및 3G, LTE 등의 데이터 통신 방식을 이용할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
전원부(130)는 상기 전력 에너지를 저장할 수 있다. 바람직한 실시예에 따르면, 전원부(130)는 충전식 배터리로 구비될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
제어부(140)는 본 발명에 따른 인지 무선 장치의 각 부를 제어할 수 있다. 상기 제어부(140)는, 상기 에너지 수신부(110)를 통해 수신된 상기 면허 단말기(licensed device)의 통신 신호로부터 각 주파수 대역 별 에너지 분포를 감지할 수 있다. 여기서 상기 면허 단말기는 특정 통신망에서 해당 통신망에서 사용되는 주파수 대역에 대한 사용 인가를 받은 단말기를 뜻한다. 이와는 반대로 비면허 단말기(unlicensed device)는 상기 주파수 대역에 대한 사용 인가를 정식으로 받지 않은 단말기를 뜻하는데, 본 발명에 따른 인지 무선 장치(100)는 비면허 단말기일 수 있다. 제어부(140)는 에너지 수신부(110)를 통해 수신된 통신 신호에 대한 스펙트럼 분석을 수행할 수 있으며, 이를 통해 각 주파수 대역에 분포되고 있는 에너지의 세기를 분석할 수 있다. 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제어부(140)가 상기 각 주파수 대역 별 에너지 분포를 감지할 때 압축 센싱(compressed sensing) 기법을 사용하여 광대역 주파수 분석을 수행할 수 있다. 압축 센싱에 대한 상세한 내용은 도 2를 설명할 때 서술하도록 한다.
또한, 제어부(140)는 상기 통신부(120)를 통해 상기 주파수 대역 별 에너지 분포 정보를 상기 인지 무선 장치들 간의 협력 통신(cooperative communication)을 위한 퓨전 센터(fusion center)로 송신할 수 있다. 여기서 상기 퓨전 센터는 협력 통신 네트워크 내에서 기지국과 유사한 역할을 하며, 적어도 하나의 인지 무선 장치(100)와 정보를 송수신할 수 있고, 복수의 인지 무선 장치(100) 사이를 중계할 수도 있다. 제어부(140)는 상기 통신부(120)를 통해 상기 퓨전 센터로부터 주파수 대역 사용 정보를 수신하되, 상기 주파수 대역 사용 정보는 상기 면허 단말기가 사용 중인 제1주파수 대역과 상기 면허 단말기가 사용하지 않는 제2주파수 대역에 대한 정보를 포함할 수 있다. 특히, 상기 주파수 대역 사용 정보는, 적어도 하나의 인지 무선 장치로부터 수신한 상기 주파수 대역 별 에너지 분포 정보에 기초하여 상기 면허 단말기가 사용하고 있는 주파수 대역을 판별한 정보일 수 있다. 바람직한 실시예에 따르면, 퓨전 센터는 협력 통신 네트워크를 구성하는 인지 무선 장치로부터 주파수 대역 별 에너지 분포 정보를 수신할 수 있다. 퓨전 센터는 특정 주파수 대역에 대하여 과반수 이상의 인지 무선 장치가 상기 특정 주파수 대역의 에너지가 기 설정된 임계치 이상인 것으로 감지하는 경우 해당 주파수 대역은 면허 단말기에 의해 사용 중인 것으로 판별할 수 있고 이와 연관된 주파수 대역 사용 정보를 생성할 수 있다. 하지만 퓨전 센터가 주파수 대역의 사용 여부를 판단하는 방식은 이에 한정되지 않는다.
제어부(140)는 상기 통신부(120)를 통해 제2 주파수 대역을 사용하여 타 인지 무선 장치와 무선 통신을 수행하고, 상기 에너지 수신부(110)를 통해 상기 통신 수신 신호를 전력 에너지로 변환할 수 있다. 이 때, 상기 통신 수신 신호는 상기 제1주파수 대역의 통신 수신 신호를 적어도 포함할 수 있다.
전술한 방식을 통해 통해, 본 발명에 따른 인지 무선 장치(100)는 무선 통신시 면허 단말기와의 신호 간섭을 방지할 수 있으며 통신 신호로부터 전력 에너지를 변환하고 이를 전원부(130)에 저장할 수도 있다.
한편, 본 발명에 따른 인지 무선 장치(100)는 출력부(150)를 더 포함할 수 있다. 출력부(150)는 제어부(140)의 제어에 의해 정보를 출력할 수 있다. 바람직하게는 출력부(150)는 디스플레이, LED 등의 광 출력 수단, 스피커 등의 음향 출력 수단 및 모터 등의 진동 출력 수단을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
도 2는 압축 센싱을 수행하기 전과 수행한 후 분석해야 할 주파수 대역의 차이를 나타낸 도면이다. 도 2의 그래프에서 가로 축은 주파수를 나타내고 세로 축은 에너지의 크기를 의미한다. 그래프에서 막대 사각형은 해당 주파수에서 감지된 신호를 의미한다.
압축 센싱은 어떤 디지털 신호에 대해서, 나이퀴스트 주파수(Nyquist frequency) 이상으로 샘플링(sampling)하지 않아도 원래의 신호를 복원할 수 있는 기술을 의미한다. 압축 센싱은 스파스(sparse) 신호를 이용하여 원래의 신호를 복구할 수 있는데, 여기서 스파스 신호란, 해당 신호의 값들이 대부분 0으로 채워져 있고 0이 아닌 성분의 개수가 상대적으로 매우 적은 신호를 의미한다. k-스파스 신호는 k개의 0이 아닌 성분을 포함하고 있는 스파스 신호를 의미하며 상기 k개의 성분을 제외한 나머지 값들은 모두 0이다.
Figure 112014128722382-pat00001
압축 센싱은 원 신호 x에 선형 측정 행렬 A를 곱하여 측정 벡터 y를 얻는 것을 의미한다. 만약 신호 x가 직접적으로 신호 x가 직접적으로 k-스파스 신호가 아닐 때에는 어떤 선형 변형 과정을 거치면 k-스파스 신호로 표현될 수 있는 형식으로 모델을 세운다. 수학식 1에서 y는 측정 신호이고 A는 [M x N]의 선형 측정행렬이다. T는 [N x N]의 선형 변형행렬 이고 이것은 측정 신호와 스파스 신호의 관계를 나타낸다. 압축감지기술에서 신호 x는 측정신호 y에 의하여 복구된다. 그러나 주어신 신호 y에 대해 하나 이상의 솔루션 x가 존재하기 때문에 일반적인 방법으로 신호 x는 신호 y로부터 완벽히 복구할 수 없다. 따라서 측정신호 y는 수학식 2와 같이 감지행렬 F의 일부 열로 선형 결합된 형태로 표현된다. 이 경우에 미지수의 개수는 수학식의 개수보다 작거나 같게 된다.
Figure 112014128722382-pat00002
수학식 2에서 T는 s의 지원 영역으로 [1, N] ⊃ T이며, |T| = K를 만족한다. Fi는 감지행렬 F의 i번째 열을 표현하며, FT는 감지행렬 F의 M x K 크기의 부분 행렬로 T의 색인에 해당하는 열로 구성된다. sT는 K x 1 크기의 벡터로 s의 0이 아닌 원소로만 구성된다. 수학식 2는 k-스파스 신호를 완벽하게 복원하기 위하여 |T| = K 를 만족하는 T에 대해 유일한 해를 가지고 있어야 한다. RIP(Restricted Isometry Property) 조건은 임의의 T에 대해 수학식 2가 유일한 해를 가지기 위한 감지행렬 F의 충분조건이고 다음의 식으로 표현된다.
Figure 112014128722382-pat00003
위 식에서 Fx는 임의의 스파스 신호 x로부터 비롯된 감지행렬이고, || · ||l2는 l2 놈(norm)을 의미하며, ε는 임의의 작은 수를 의미한다. 만약 감지행렬 F가 수학식 3을 만족하면 감지행렬 F는 RIP 조건을 만족한다고 말할 수 있다. 이를 통해 측정 신호 y로부터 임의의 k-스파스 신호 x를 완벽하게 복원할 수 있다.
전술한 압축 센싱 기술을 인지 무선에 적용할 수 있다. 인지 무선 장치에서 면허 단말기들의 통신 신호는 스파스 신호의 특성을 보일 수 있으며, 이 때문에 압축 센싱 기술을 적용할 수 있다. 통상적으로 면허 단말기의 존재를 판별하기 위해서 다수의 인지 무선 장치가 요구될 수 있는데, 이는 낮은 통신 신호 검출 확률 및 넓은 주파수 대역으로부터 기인한다. 인지 무선을 수행할 때 압축 센싱을 사용함으로써 보다 적은 수의 통신 신호 샘플을 통해 스펙트럼 분석이 가능한데, 이처럼 보다 적은 수의 통신 신호 샘플을 이용함으로써 오류가 발생될 수 있는 다양한 상황에 더 용이하게 대처할 수 있다. 또한, 인지 무선시 압축 센싱을 사용함으로써 보다 적은 통신 신호 샘플로부터 보다 넓은 주파수 대역을 감지할 수 있다.
도 2(a)는 압축 센싱을 수행하기 전 분석해야 할 주파수 대역(fs)을 나타낸다. 도 2(a)에 따르면, 통신 신호는 6개의 0이 아닌 값(nz1, nz2, nz3, nz4, nz5, nz6)을 가지며 그 외 나머지는 0인 전형적인 스파스 신호의 형태를 지니고 있다. 만약, 상기 통신 신호를 그대로 이용하는 경우, 도 2(a)에서 파선으로 표시된 영역의 주파수 대역(fs), 즉 모든 주파수 대역에 대한 스펙트럼 분석을 수행해야 하는데, 이는 매우 비효율적인 방식이다.
도 2(b)는 압축 센싱을 수행한 후 분석해야 할 주파수 대역(cfs)를 나타낸다. 압축 센싱 기술을 사용하면, 도 2(a)의 스파스 신호를 도 2(b)의 형태로 변형시킬 수 있으며, 전체 통신 신호에서 많은 부분을 차지하고 있는 불필요한 샘플, 즉 0값을 제거할 수 있다. 도 2(b)의 압축 센싱 방식을 사용하는 경우, 스펙트럼 분석시 도 2(a)에 비해서 상대적으로 훨씬 적은 수의 통신 신호 샘플만을 이용하면 되므로, 신호의 오류에 강인하고 분석 시간을 단축시킬 수 있다.
도 3은 면허 단말기가 사용한 주파수 대역을 감지한 인지 무선 장치(100a, 100b, 100c)의 위치 정보의 조합으로부터 면허 단말기 위치 정보를 유추하는 방식을 나타낸 도면이다. 도 3에서 퓨전 센터는 생략되었으며, 실선으로 표현된 원은 인지 무선 장치(100a, 100b, 100c)를 나타내고, 파선으로 표현된 원 200은 유추된 면허 단말기의 위치를 의미한다. 또한, 도 3에서 4 가지 좌표는 각 도형의 중심점의 위치 좌표를 의미한다. 도 3에서 점선 화살표는 면허 단말기에서 발신된, 특정 주파수 대역을 사용하는 통신 신호를 의미한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 인지 무선 장치(100a, 100b, 100c)는, 상기 퓨전 센터로 상기 인지 무선 장치의 위치 정보를 더 송신할 수 있다. 여기서, 상기 인지 무선 장치의 위치 정보는 측위 위성 등으로부터 수신된 위치 좌표일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 그리고, 인지 무선 장치(100a, 100b, 100c)는 상기 퓨전 센터로부터 상기 면허 단말기 위치 정보를 수신할 수 있다. 여기서, 상기 면허 단말기 위치 정보는 상기 면허 단말기가 사용한 주파수 대역을 감지한 인지 무선 장치의 위치 정보의 조합으로부터 유추된 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 퓨전 센터가 면허 단말기 위치 정보를 계산할 수 있으며, 본 발명을 실시하는 방식에 따라서 다음의 수학식을 이용할 수 있다.
Figure 112014128722382-pat00004
수학식 4에서 XPU 및 YPU는 면허 단말기의 x좌표 및 y좌표를 의미하며, N은 상기 면허 단말기가 사용한 주파수 대역을 감지한 인지 무선 장치의 수를 의미하며, xj 및 yj는 상기 면허 단말기가 사용한 주파수 대역을 감지한 인지 무선 장치의 x좌표 및 y좌표를 의미한다. 즉, 상기 수학식에 따르면, 면허 단말기의 좌표는 상기 면허 단말기가 사용한 주파수 대역을 감지한 인지 무선 장치의 좌표의 평균값으로부터 계산될 수 있다. 하지만, 상기 수식은 한 예에 불과하며, 면허 단말기 위치 정보를 구하는 방식은 이에 한정되지 않는다.
인지 무선 장치는 상기 면허 단말기 위치 정보를 출력부를 통해 출력할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무선 단말기 지도 정보를 나타낸 도면이다. 도4에서 파선으로 구성된 격자무늬는 좌표 나타내기 위한 기준선이며, 실선으로 구성된 곡선은 인지 무선 장치에서 감지된 통신 신호의 세기가 동일한 지역을 연결한 것이다. 도 4에서 각 도형의 내부에 적용된 색이 어두울수록 통신 신호의 세기가 약한 것이고 밝을수록 통신 신호의 세기가 강한 것이다. 도 4에 도시된 4개의 사각형(200t1, 200t2, 200t3, 200t4)는 면허 단말기 위치 정보 중 해당 면허 단말기를 감지한 인지 무선 장치의 수가 기 설정된 한계값 이상인 위치 좌표를 의미하고 검은색 원 100L은 인지 무선 장치의 현재 위치를 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따른 인지 무선 장치는 퓨전 센터로부터 면허 단말기 지도 정보를 수신할 수 있다. 여기서, 상기 면허 단말기 지도 정보는 상기 면허 단말기 위치 정보, 상기 각 면허 단말기를 감지한 인지 무선 장치의 수, 상기 주파수 대역 별 에너지 분포 정보에 기초하여 생성될 수 있으며, 기 설정된 시간 주기마다 갱신될 수 있다. 바람직하게는 상기 면허 단말기 지도 정보는 퓨전 센터에서 생성될 수 있다.
인지 무선 장치는 출력부를 통해 상기 면허 단말기 지도 정보를 출력할 수 있으며, 주파수 대역 별 에너지 분포 정보가 기 설정된 에너지 세기 이상 검출된 위치 좌표 및 상기 면허 단말기 위치 정보 중 해당 면허 단말기를 감지한 인지 무선 장치의 수가 기 설정된 한계값 이상인 위치 좌표 중 적어도 하나를 더 출력할 수 있다.
본 발명에 따른 인지 무선 장치는 전원부에 저장된 전력 에너지가 기 설정된 최저 전력값 미만인 경우 전력 에너지 부족을 경고하는 경고 신호를 생성할 수 있으며, 상기 출력부를 통해 상기 경고 신호 및 상기 면허 단말기 지도 정보를 출력할 수 있다. 사용자는 인지 무선 장치의 전력 소모가 심한 경우, 출력된 단말기 지도 정보를 참조하여 에너지 하베스팅을 원활하게 수행할 수 있는 위치로 이동할 수 있으며, 이를 통해 인지 무선 장치에 전력 에너지를 충전할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 주파수 대역을 적어도 하나의 주파수 영역으로 분할하는 방식을 나타낸 도면이다. 도 5에서 가로 화살표는 주파수를 의미하며, 왼쪽 끝은 0, 오른쪽 끝은 최대 주파수를 의미한다.
인지 무선 장치는 통신부를 통해 상기 인지 무선 장치로부터 기 설정된 거리 범위 내에 위치하는 타 인지 무선 장치의 식별 부호 정보를 상기 퓨전 센터로부터 수신할 수 있다. 이를 통해, 인지 무선 장치는 자신과 근접한 타 인지 무선 장치를 식별할 수 있다. 두 인지 무선 장치 사이의 거리가 가까우면 가까울수록 두 인지 무선 장치의 통신 환경 특성이 유사해질 것으로 가정할 수 있다.
상기 인지 무선 장치는 압축 센싱을 수행할 주파수 대역을 상기 타 인지 무선의 수에 기초하여 하나의 기준 주파수 영역과 적어도 하나의 일반 주파수 영역으로 분할할 수 있다. 도 4에서 rfr은 기준 주파수 영역을 나타내고, nfr1 내지 nfr5는 일반 주파수 영역을 나타낸다. 도 4의 주파수 영역 분할은 실시예에 불과할 분, 본 발명의 내용은 이에 한정되지 않는다. 또한, 기준 주파수 영역은 도 4의 경우처럼 가장 낮은 주파수 대역에 위치하는 것으로 한정되지 않는다. 또한, 상기 주파수 영역을 분할할 때, 인접한 주파수 영역끼리 서로 일부 겹쳐질 수도 있다. 본 발명을 실시하는 방식에 따라서, 상기 주파수 영역의 분할은 인지 무선 장치의 에너지 수신부에 대역 통과 필터(Band Pass Filter, BPS)가 구비됨으로써 수행할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한, 다른 실시예에 따르면, 인지 무선 장치의 통신부는 자신에게 할당된 주파수 영역 이외의 주파수 영역을 사용하는 통신 신호에 대해서 신호 복호화를 수행하지 않는 방식으로 작동할 수 있다.
인지 무선 장치는 상기 각 타 인지 무선 장치마다 서로 상이한 상기 일반 주파수 영역에 대한 압축 센싱을 수행할 것을 요청하는 제어 신호를 송신할 수 있으며, 이에 따라, 타 인지 무선 장치는 서로 상이한 주파수 영역에 대한 압축 센싱을 수행할 수 있다. 인지 무선 장치는 면허 단말기의 통신 신호를 각 주파수 대역 별 에너지 분포를 계산할 때 상기 기준 주파수 영역에 대한 압축 센싱을 수행하고, 상기 기준 주파수 영역에 대한 주파수 대역 별 에너지 분포 정보를 상기 퓨전 센터로 송신할 수 있다. 인지 무선 장치는 상기 퓨전 센터로부터 상기 주파수 대역 사용 정보를 수신할 수 있다. 여기서, 상기 주파수 대역 사용 정보는, 상기 기준 주파수 영역에 대한 주파수 대역 별 에너지 분포 정보 및 상기 일반 주파수 영역에 대한 주파수 대역 별 에너지 분포 정보의 조합으로부터 생성될 수 있다. 이를 통해, 복수의 인지 무선 장치가 협력하여 스펙트럼 분석을 수행할 수 있으며, 이 경우, 일반적인 압축 센싱 기법에 비해 매우 적은 량의 통신 신호 샘플만 이용하여 주파수 대역 별 에너지 분포를 감지할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 장치의 제어 방법을 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 인지 무선 장치의 에너지 수신부를 통해 수신된 면허 단말기의 통신 신호로부터 각 주파수 대역 별 에너지 분포를 계산(S110)할 수 있다. 이 때, 상기 각 주파수 대역 별 에너지 분포를 계산하는 단계는 압축 센싱 기법을 사용하여 광대역 주파수 분석을 수행하는 단계일 수 있다. 그 다음, 인지 무선 장치의 통신부를 통해 상기 주파수 대역 별 에너지 분포 정보를 상기 인지 무선 장치들 간의 협력 통신을 위한 퓨전 센터로 송신(S120)할 수 있으며, 상기 통신부를 통해 상기 퓨전 센터로부터 주파수 대역 사용 정보를 수신(S130)할 수 있다. 여기서, 상기 주파수 대역 사용 정보는 상기 면허 단말기가 사용 중인 제1주파수 대역과 상기 면허 단말기가 사용하지 않는 제2주파수 대역에 대한 정보를 포함할 수 있다. 이에 더하여, 상기 주파수 대역 사용 정보는, 적어도 하나의 인지 무선 장치로부터 수신한 상기 주파수 대역 별 에너지 분포 정보에 기초하여 상기 면허 단말기가 사용하고 있는 주파수 대역을 판별한 정보일 수 있다. 그 후, 인지 무선 장치는 상기 통신부를 통해 제2 주파수 대역을 사용하여 타 인지 무선 장치와 무선 통신을 수행(S140)하거나 상기 에너지 수신부를 통해 상기 통신 수신 신호를 전력 에너지로 변환(S150)할 수 있다. 이 때, 상기 통신 수신 신호는 상기 제1주파수 대역의 통신 수신 신호를 적어도 포함할 수 있다. 각 단계에 대한 상세한 설명은 도 1 내지 도 5를 설명할 때 서술하였으므로 생략한다.
본 발명에 따르면, 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 수행시 광대역 주파수 스펙트럼 분석을 수행할 수 있다.
이 때, 인접한 인지 무선 장치는 분할된 각 주파수 대역에 대한 주파수 스펙트럼 분석을 별도로 수행함으로써 인지 무선을 효율적으로 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 인지 무선 장치를 통해 면허 단말기의 위치 정보 및 면허 단말기 지도 정보를 출력할 수 있으며, 특히, 상기 인지 무선 장치의 전력 에너지 저장량이 부족한 것으로 판단되는 경우, 경고 신호와 함께 에너지 하베스팅을 효율적으로 수행할 수 있는 위치 정보를 제공할 수 있다.
이상에서 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 설명하였으나, 당업자라면 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위 내에서 수정, 변경을 할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명이 속하는 기술분야에 속한 사람이 본 발명의 상세한 설명 및 실시예로부터 용이하게 유추할 수 있는 것은 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 장치
110 : 에너지 수신부
120 : 통신부
130 : 전원부
140 : 제어부
150 : 출력부

Claims (6)

  1. 면허 단말기가 발신하는 통신 신호로부터 전력 에너지를 획득하는 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 장치에 있어서,
    상기 인지 무선 장치의 각 부를 제어하는 제어부;
    상기 제어부의 제어에 의해 외부와 정보를 송수신하는 통신부;
    상기 제어부의 제어에 의해 통신 수신 신호를 전력 에너지로 변환하는 에너지 수신부; 및
    상기 전력 에너지를 저장하는 전원부; 를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 에너지 수신부를 통해 수신된 상기 면허 단말기의 통신 신호로부터 각 주파수 대역 별 에너지 분포를 감지하고,
    상기 통신부를 통해 상기 주파수 대역 별 에너지 분포 정보를 상기 인지 무선 장치들 간의 협력 통신(cooperative communication)을 위한 퓨전 센터(fusion center)로 송신하고,
    상기 통신부를 통해 상기 퓨전 센터로부터 주파수 대역 사용 정보를 수신하되, 상기 주파수 대역 사용 정보는 상기 면허 단말기가 사용 중인 제1주파수 대역과 상기 면허 단말기가 사용하지 않는 제2주파수 대역에 대한 정보를 포함하며,
    상기 통신부를 통해 제2 주파수 대역을 사용하여 타 인지 무선 장치와 무선 통신을 수행하고,
    상기 에너지 수신부를 통해 통신 수신 신호를 전력 에너지로 변환하되, 상기 통신 수신 신호는 상기 제1주파수 대역의 통신 수신 신호를 적어도 포함하고,
    상기 제어부가 상기 각 주파수 대역 별 에너지 분포를 감지할 때 압축 센싱(compressed sensing) 기법을 사용하여 광대역 주파수 분석을 수행하고,
    상기 주파수 대역 사용 정보는,
    적어도 하나의 인지 무선 장치로부터 수신한 상기 주파수 대역 별 에너지 분포 정보에 기초하여 상기 면허 단말기가 사용하고 있는 주파수 대역을 판별한 정보인 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인지 무선 장치는 상기 제어부의 제어에 의해 정보를 출력하는 출력부; 를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 통신부를 통해 상기 퓨전 센터로 상기 인지 무선 장치의 위치 정보를 더 송신하고,
    상기 퓨전 센터로부터 상기 면허 단말기 위치 정보를 수신하고,
    상기 출력부를 통해 상기 면허 단말기 위치 정보를 출력하되,
    상기 면허 단말기 위치 정보는,
    상기 면허 단말기가 사용한 주파수 대역을 감지한 인지 무선 장치의 위치 정보의 조합으로부터 유추된 것임을 특징으로 하는 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 상기 통신부를 통해 상기 퓨전 센터로부터 면허 단말기 지도 정보를 수신하고,
    상기 전원부에 저장된 전력 에너지가 기 설정된 최저 전력값 미만인 경우 전력 에너지 부족을 경고하는 경고 신호를 생성하고,
    상기 출력부를 통해 상기 경고 신호 및 상기 면허 단말기 지도 정보를 출력하되,
    상기 면허 단말기 지도 정보는,
    상기 면허 단말기 위치 정보, 상기 각 면허 단말기를 감지한 인지 무선 장치의 수, 상기 주파수 대역 별 에너지 분포 정보에 기초하여 생성되고, 기 설정된 시간 주기마다 갱신되는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 출력부를 통해 상기 면허 단말기 지도 정보를 출력할 때,
    주파수 대역 별 에너지 분포 정보가 기 설정된 에너지 세기 이상 검출된 위치 좌표 및 상기 면허 단말기 위치 정보 중 해당 면허 단말기를 감지한 인지 무선 장치의 수가 기 설정된 한계값 이상인 위치 좌표 중 적어도 하나를 더 출력하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 통신부를 통해 상기 인지 무선 장치로부터 기 설정된 거리 범위 내에 위치하는 타 인지 무선 장치의 식별 부호 정보를 상기 퓨전 센터로부터 수신하고,
    압축 센싱을 수행할 주파수 대역을 상기 타 인지 무선의 수에 기초하여 하나의 기준 주파수 영역과 적어도 하나의 일반 주파수 영역으로 분할하고,
    상기 통신부를 통해 상기 각 타 인지 무선 장치마다 서로 상이한 상기 일반 주파수 영역에 대한 압축 센싱을 수행할 것을 요청하는 제어 신호를 송신하고,
    상기 면허 단말기의 통신 신호를 각 주파수 대역 별 에너지 분포를 계산할 때 상기 기준 주파수 영역에 대한 압축 센싱을 수행하고,
    상기 기준 주파수 영역에 대한 주파수 대역 별 에너지 분포 정보를 상기 통신부를 통해 상기 퓨전 센터로 송신하고,
    상기 통신부를 통해 상기 퓨전 센터로부터 상기 주파수 대역 사용 정보를 수신하되,
    상기 주파수 대역 사용 정보는,
    상기 기준 주파수 영역에 대한 주파수 대역 별 에너지 분포 정보 및 상기 일반 주파수 영역에 대한 주파수 대역 별 에너지 분포 정보의 조합으로부터 생성된 것임을 특징으로 하는 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 장치.
  6. 면허 단말기가 발신하는 통신 신호로부터 전력 에너지를 획득하는 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 장치의 제어 방법에 있어서,
    에너지 수신부를 통해 수신된 상기 면허 단말기의 통신 신호로부터 각 주파수 대역 별 에너지 분포를 계산하는 단계;
    통신부를 통해 상기 주파수 대역 별 에너지 분포 정보를 상기 인지 무선 장치들 간의 협력 통신을 위한 퓨전 센터로 송신하는 단계;
    상기 통신부를 통해 상기 퓨전 센터로부터 주파수 대역 사용 정보를 수신하는 단계, 여기서 상기 주파수 대역 사용 정보는 상기 면허 단말기가 사용 중인 제1주파수 대역과 상기 면허 단말기가 사용하지 않는 제2주파수 대역에 대한 정보를 포함함;
    상기 통신부를 통해 제2 주파수 대역을 사용하여 타 인지 무선 장치와 무선 통신을 수행하는 단계; 및
    상기 에너지 수신부를 통해 통신 수신 신호를 전력 에너지로 변환하는 단계, 상기 통신 수신 신호는 상기 제1주파수 대역의 통신 수신 신호를 적어도 포함함; 를 포함하되,
    상기 각 주파수 대역 별 에너지 분포를 계산하는 단계는 압축 센싱 기법을 사용하여 광대역 주파수 분석을 수행하는 단계이고,
    상기 주파수 대역 사용 정보는,
    적어도 하나의 인지 무선 장치로부터 수신한 상기 주파수 대역 별 에너지 분포 정보에 기초하여 상기 면허 단말기가 사용하고 있는 주파수 대역을 판별한 정보인 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 장치의 제어 방법.
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