KR101589102B1

KR101589102B1 - 인지 무선 통신기술을 이용한 협업 차량 네트워크 시스템

Info

Publication number: KR101589102B1
Application number: KR1020150046184A
Authority: KR
Inventors: 남윤영; 노승민; 폴 아난드; 다니엘 알프레드; 아메드 아와이스
Original assignee: 순천향대학교 산학협력단
Priority date: 2015-04-01
Filing date: 2015-04-01
Publication date: 2016-01-27

Abstract

본 발명은 인지 무선 통신기술을 이용한 협업 차량 네트워크 시스템에 대한 것이다.
본 발명의 특징은 제1 사용자 네트워크와 인지 무선 통신 네트워크로 구성되어 있고, 제1 사용자 네트워크는 다수의 사용자 전송기를 포함하며 인지 무선 통신 네트워크는 다수의 CR 사용자와 DFC를 포함하고 있다.

Description

인지 무선 통신기술을 이용한 협업 차량 네트워크 시스템{A system of cooperative vehicular network based on cognitive radio}

본 발명은 인지 무선 통신기술을 이용한 협업 차량 네트워크 시스템에 대한 것이다.

최근 무선 통신 서비스의 발달과 스마트 폰의 보급에 따른 데이터 트래픽 급증으로 주파수 자원의 부족현상이 나타나고 있다. 기존의 주파수 사용정책은 각 나라별 주파수 정책에 따라서 법적으로 분배되어 주파수를 할당 받은 면허 사용자가 해당주파수 사용에 관한 독점권을 가지고 있다. 즉, 면허 사용자에게 할당된 주파수는 현재 사용 중이지 않더라고 다른 사용자 (주파수를 할당 받지 못한 비 면허 사용자)는 해당 주파수를 사용 할 수 없다. 그러나 연방 통신 위원회(FCC: Federal Communications Commission)의 조사결과에 따르면 면허 사용자에게 할당된 주파수 자원은 시간 및 위치에 따라 많게는 85%에 이르는 주파수 자원이 효율적으로 사용되지 않고 있다. 이와 같은 주파수의 비효율적 사용을 완화시키기 위해 주파수 자원의 효율적 사용에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이러한 주파수 사용의 활용을 높이기 위해 J. Mitola에 의하여 인지 무선 시스템 (CR, Cognitive Radio System)이 제시되었다. 즉, 면허 사용자가 사용하지 않는 유휴 주파수를 비 면허 사용자가 임시적으로 사용하도록 하는 시스템으로서 주변의 상황을 탐색하고 변화된 상황에 시스템을 적절하게 적용하도록 하는 지능적인 차세대 무선 통신 시스템이다.

인지 무선 기술을 차세대 이동통신 시스템에서 각 사용자에 대한 다양한 서비스를 제공하기 위해서는 구성 되어야할 기술로는 물리계층과 MAC 계층에서 다양한 스펙트럼 검출, 동적 주파수 선택. 전력제어 QoS, 적응형 제어 등이 구현되어야 한다. 이와 같은 기술 이슈에도 불구하고 미국의 FCC는 CR 기술의 활용 가능성을 인정하여 2008년 11월 UHF(Ultra High Frequency) TV 대역에서 CR 기기의 사용을 허용 하였고, 이에 따라 CR 시스템 관련 표준화 작업들이 속도를 내고 있다. 주로 주파수 정책에 따라 주파수를 할당 받지 못한 비 면허 사용자는 소 출력 무선통신 기기 및 임시적으로 주파수를 할당 받아 사용하는 기기들로서 이들이 주로 인지 무선 시스템의 서비스를 가장 많이 받을 것으로 예상된다. 따라서 비 면허 사용 기기들이 개별적으로 주변 상황을 인지하고 신뢰도 높게 유휴주파수를 탐색하는 스펙트럼 센싱의 중요성이 높아진다. 하지만 단일 센싱으로는 hidden node의 문제, 선택적 주파수 페이딩, 셀룰라 시스템에서는 셀간 간섭 등의 문제로 CPE(Customer-Primise equipments)들이 낮은 SNR 상태에 있을 때 센싱의 신뢰성을 보장할 수 없기 때문에, 협력 스펙트럼 센싱은 CR 사용자의 음영 지역 및 잠복 터미널 등에 의하여 성능의 열화가 발생하는 문제점이 있다.

이와 관련하여 한국등록특허 제10-1443644호에는 인지 무선 전송 시스템을 위한 통신용 장치 및 방법이 개시되어 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 인지 무선 통신기술을 이용한 협업 차량 네트워크 시스템을 구성하고자 하는 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 인지 무선 통신기술을 이용한 협업 차량 네트워크 시스템에 있어서, 제1 사용자 네트워크와 인지 무선 통신 네트워크로 구성되어 있고, 제1 사용자 네트워크는 다수의 사용자 전송기를 포함하고, 인지 무선 통신 네트워크는 다수의 CR 사용자와 DFC(Decision Fusion Controller)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 문제를 해결하고 협업 차량 센싱 네트워크를 이용하여 인지 무선 기반 네트워크에서 센싱 성능을 보완할 수 있다.

또한, 차량 네트워크의 스펙트럼 부족과 이동성 문제를 최소화 하여 차량 간의 통신을 효율적으로 할 수 있다.

도 1은 단일 센싱 환경에서의 문제점을 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 협업 차량 네트워크 시스템을 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 CR 사용자의 평균 대기 시간을 나타낸다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 자세히 살펴본다.

인지무선 시스템은 1차 사용자에게 간섭 없이 2차 사용자가 사용해야 하므로 1차 사용자의 사용유무를 결정하는 스펙트럼 센싱 기술은 높은 신뢰성을 우선으로 하여야 한다. 셀룰라 시스템에 인지무선을 적용하기 위해서는 Hidden node 문제를 겪는 CPE, 또는 셀 경계에 위치하는 CPE들 신뢰도 높은 센싱이 가능해야한다.

도 1은 이상적 셀 모양으로 인지무선을 적용 하였을 때 발생 할 수 있는 문제들을 나타낸다. CPE3 은 장애물로 인한 Frequency shadowing문제로 PU의 신호를 잘못 판단할수 있다. 또 CPE 2와 같이 셀 경계에 위치한 CPE들은 PU로부터 멀리 떨어져 있고 또한 근접한 셀 간 간섭으로 인해 SNR 낮아지게 되어 신뢰성 높은 센싱이 어렵다. 즉, 1차 사용자와 가장 가까운 CPE를 선택하는 것은 1차 사용자의 존재 유무를 센싱함에 있어서 가장 신뢰성 있는 높은 신호 센싱 확률을 보 일 수 있다. 하지만 PU와 CPE들의 사이가 멀어질수록 채널상태는 보장할 수 없다.

이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 사용자 전송기와 CR 사용자간에 협업 센싱을 통해 인지 무선 기반 네트워크를 구성하는 것으로 도 2에 도시되어 있다.

본 발명의 네트워크 시스템은 도 2에 도시된 바와 같이 제1 사용자 네트워크(110)와 인지 무선통신(CR) 네트워크(120)로 구성되어 있다. 제1 사용자 네트워크(110)는 다수의 사용자 전송기(PU Tx 1, PU Tx 2, ..., PU Tx n)(130)를 포함하는데, 다수의 사용자 전송기(130)는 현재 가용한 스펙트럼 홀(Spectrum hole)을 가지고 있고, 다수의 CR 사용자(140)는 다수의 사용자 전송기(130)의 스펙트럼 홀을 인지하고 이것을 사용한다.

도 2에서 제1 사용자 전송기(PU Tx 1)의 가용한 스펙트럼은 제1 CR 사용자(CR1)에 의해 사용되고, 제2 사용자 전송기(PU Tx 2)의 가용한 스펙트럼은 제3 CR 사용자(CR3)가 사용되고 있다. 제1 CR 사용자(CR1)와 제3 CR 사용자(CR3)는 인지 무선통신 네트워크(120)의 DFC(150)에 스펙트럼 리소스의 사용여부에 대한 정보를 전송한다. 전송되는 정보는 스펙트럼 리소스를 사용하고 있을 경우에는 0, 미 사용시에는 1을 값을 포함하고 있다. 만약 전송된 정보가 0이면 CR 사용자(140)는 스팩트럼 홀을 사용할 수 있다. 본 발명에서는 0과 1의 상태에 대한 길이를 두 개의 랜덤 변수 P₁과 P₂를 이용하여 모델링 하였다. 제1 사용자의 동작이 두 개의 프아송(Poisson) 프로세스의 조합으로 표현할 수 있고, 이는 갱신(Renewal) 프로세스의 하나이다. 갱신 인터벌(P_t)는 수학식 1과 같이 표현 할 수 있다.

인지 무선통신 네트워크(120)의 DFC(150)는 사용자의 가용성 여부를 결정하고, 새로운 사용자를 대기하도록 하는 역할을 수행한다. 다수의 사용자 전송기(130)는 CR 사용자(140)의 요구를 선입선출(FCFS, First Come First Serve)방식의 큐잉 규칙을 이용하여 처리하고, 가용한 스펙트럼 리소스를 할당하는 역할을 한다. 모든 스펙트럼 센싱과 채널 평가 작업은 DFC(150)에 의해서 수행되고 동시에 다른 다수의 CR 사용자에게 스펙트럼 리소스의 사용 여부를 제공한다.

도 3은 CR 사용자(140)의 평균 대기 시간을 나타낸 것으로 전송시간 (P_t)가 0의 상태의 끝에 있다면(사용을 거의 다했다면) 다음의 대기시간 (W_T)는 OFF가 될 것이다. 또한, 전송시간이 1의 상태의 끝에 있다면(사용하고 있지 않은 상태가 다 되었다면), 대기시간의 길이는 1의 상태의 종료에 따라 달라진다. 따라서, 대기시간은 전송시간이 0의 상태에 끝에 있다면 OFF 상태가 되고 1의 상태의 끝에 있다면 전방향 재귀 시간(Forward recursive time: P₁)과 동일하다고 할 수 있다.

CR₁(t)은 시간 t에서 0 상태의 시작에서부터 1 상태의 끝까지 평균 확률로 CR의 평균대기 시간(Ex(W_T))는 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.

CR₁(t)는 수학식 3과 같은 갱신 방정식을 이용하여 얻을 수 있다.

수학식 3의 CR₁(t)를 폐쇄 형 표현식(Closed-form expression)으로 표현하면 수학식 4와 같다.

P1은 1상태의 제1 사용자 전방향 재귀시간으로 모든 1 상태는 프아송 프로세스를 따르고, 갱신 이론에 따라 P1은 수학식 5와 같이 표현할 수 있다.

수학식 2내지 5를 조합하여 CR의 평균대기 시간은 수학식 6으로 구할 수 있다.

여기서 μ₀, μ₁은 제1 채널의 코디네이트(Cooridnate)를 나타내고, T_t는 제1 채널의 접근성에 따른 CR 사용자의 변경을 위한 제1 채널의 평균대기 시간을 고려한 전송시간을 의미한다.

본 발명의 일 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

110 : 제1 사용자 네트워크 120 : 인지 무선통신(CR) 네트워크
130 : 다수의 사용자 전송기 140 : CR 사용자
150 : DFC

Claims

인지 무선 통신기술을 이용한 협업 차량 네트워크 시스템에 있어서,
상기 시스템은 제1 사용자 네트워크와 인지 무선 통신 네트워크로 구성되어 있고,
상기 제1 사용자 네트워크는 다수의 사용자 전송기를 포함하고,
상기 인지 무선 통신 네트워크는 다수의 CR 사용자와 DFC를 포함하며, 상기 다수의 CR 사용자는 상기 다수의 사용자 전송기의 스펙트럼 홀을 인식하고 사용하고, 상기 다수의 CR 사용자의 평균대기시간은
으로 구하되 μ₀, μ₁은 제1 채널의 코디네이트(Cooridnate)를 나타내고, T_t는 제1 채널의 접근성에 따른 CR 사용자의 변경을 위한 제1 채널의 평균대기 시간을 고려한 전송시간을 의미하는 것을 특징으로 하는 인지 무선 통신기술을 이용한 협업 차량 네트워크 시스템.
삭제
청구항 제1항에 있어서,
상기 다수의 사용자 전송기는 상기 다수의 CR 사용자에게 가용한 스펙트럼 리소스를 할당하는 것을 특징으로 하는 인지 무선 통신기술을 이용한 협업 차량 네트워크 시스템.
청구항 제3항에 있어서,
상기 인지 무선 통신 네트워크의 상기 DFC는 AND, OR 그리고 과반수 규칙을 이용하여 상기 다수의 CR 사용자의 가용성을 결정하는 것을 특징으로 하는 인지 무선 통신기술을 이용한 협업 차량 네트워크 시스템.
청구항 제4항에 있어서,
상기 다수의 사용자 전송기는 상기 다수의 CR 사용자의 요구를 선입선출 방식의 큐잉 규칙에 따라 제공하는 것을 특징으로 하는 인지 무선 통신기술을 이용한 협업 차량 네트워크 시스템.
청구항 제5항에 있어서,
상기 다수의 CR 사용자는 상기 인지 무선 통신 네트워크의 상기 DFC에 정보를 전송하는 것을 특징으로 하는 인지 무선 통신기술을 이용한 협업 차량 네트워크 시스템.
청구항 제6항에 있어서,
모든 스펙트럼 센싱과 채널 평가 작업은 상기 DFC에 의해 수행되고, 동시에 다른 상기 다수의 CR 사용자에게 정보를 제공하는 것을 특징으로 하는 인지 무선 통신기술을 이용한 협업 차량 네트워크 시스템.
청구항 제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 정보는 상기 스펙트럼 리소스의 사용여부를 나타내는 것으로, 사용여부에 따라 0과 1사이의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 무선 통신기술을 이용한 협업 차량 네트워크 시스템.