KR102050283B1 - 인지 무선 네트워크에서 2차 사용자의 패킷 전송 성능 개선 방법 및 그 장치 - Google Patents

인지 무선 네트워크에서 2차 사용자의 패킷 전송 성능 개선 방법 및 그 장치 Download PDF

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KR102050283B1 KR1020180085558A KR20180085558A KR102050283B1 KR 102050283 B1 KR102050283 B1 KR 102050283B1 KR 1020180085558 A KR1020180085558 A KR 1020180085558A KR 20180085558 A KR20180085558 A KR 20180085558A KR 102050283 B1 KR102050283 B1 KR 102050283B1
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Abstract

본 발명은 인지 무선 네트워크에서 2차 사용자의 패킷 전송 성능 개선 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 본 발명의 인지 무선 네트워크에서 2차 사용자의 패킷 전송 성능 개선 방법은, 인지 무선 네트워크에서 2차 사용자 장치의 패킷 전송 성능 개선을 위한 방법에 있어서, 상기 2차 사용자 장치는, 스펙트럼 센싱으로 1차 사용자 장치의 채널 점유 상태를 판단하는 단계, 상기 2차 사용자 장치는, 1차 사용자 장치에 의해 점유된 채널에 접근한 경우, 에너지 레벨에 기초하여 후방산란 모드 또는 에너지 수집 모드의 동작모드를 결정하는 단계, 상기 2차 사용자 장치는 상기 결정된 동작모드에 따라 동작하는 단계를 포함한다.

Description

인지 무선 네트워크에서 2차 사용자의 패킷 전송 성능 개선 방법 및 그 장치{METHOD FOR IMPROVING PACKET TRANSMISSION PERFORMANCE OF SECONDARY USER IN COGNITIVE RADIO NETWORKS AND APPARATUS THEREOF}
본 발명은 인지 무선(Cognitive Radio; CR) 네트워크에서 주변 후방산란 통신(Ambient Backscatter Communication; AmBC) 기능을 갖는 2차 사용자 (Secondary User; SU)의 패킷 전송 성능을 향상시키는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
점차 증가하는 무선 통신에 대한 사용자의 요구를 만족시키기 위해서는 충분한 주파수 대역의 확보가 필요하다. 그러나 통신에 활용 가능한 무선 주파수 대역은 한정적일 뿐만 아니라 대부분이 기존의 무선 통신 서비스(이하 주사용자, Primary User. PU)에 이미 할당되어 있기 때문에 새로운 통신 서비스를 위한 주파수 대역의 확보가 매우 힘든 실정이다.
주파수 부족에 따른 문제를 해결하기 위해 패킷 스케줄링, 전송 능력 조절, 다중 홉 전송 등과 같이 한정된 주파수 자원을 보다 효율적으로 사용하는 자원 관리 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그러나 이러한 연구는 물리적인 주파수 부족 문제를 해결할 수 없다는 한계를 지닌다. 주사용자에게 할당된 주파수 대역 중 많은 부분의 사용률이 매우 낮으며 이러한 경향은 특히 도시 외곽이나 인구 밀도가 낮은 지역에서 더욱 두드러진다. 인지 무선 기술(cognitive radio)은 지속적으로 변화하는 주파수 대역들의 사용 현황을 인지하고 빈 주파수 대역을 활용함으로써 전파 자원의 사용률을 극대화하기 위해 제안되었다.
인지 무선 기술은 주사용자에게 할당된 채널이라도 특정 시간, 특정 지역에서 사용되고 있지 않다면 허가받지 않은 부사용자(Secondary User, SU)의 통신에 활용하여 고정적으로 할당받은 채널이 없어도 데이터를 송수신할 수 있는 기술이다.
이러한 무선 인지 기술은 크게 오버레이(overlay) 기법과 언더레이(underlay) 기법이 있는데, 언더레이 기법은 주사용자가 동작 중인 주파수 대역이라 해도 인지 통신 네트워크가 동시에 데이터 송신을 할 수 있게 하되, 매우 낮은 전송 전력을 사용함으로써 주사용자가 느끼는 간섭의 정도가 매우 낮아 통신이 방해받지 않도록 하는 방식이다. 오버레이 기법은 주사용자가 통신을 진행 중인 채널에서는 부사용자가 데이터를 송수신할 수 없으며 주사용자가 없는 채널만을 활용하도록 하는 기법이다.
오버레이 기반의 인지 무선 네트워크는 주사용자가 존재하지 않는 것을 확인한 후에만 주파수 대역을 사용할 수 있는데 반해, 주사용자는 자신의 동작을 인지 무선 네트워크에게 알릴 의무가 없으므로 인지 무선 네트워크의 부사용자는 감지주기의 타임슬롯(time slot)마다 지속적으로 채널 상태를 관찰하여 주사용자가 전송을 시작하였는지 여부를 확인해야만 한다.
이처럼 오버레이 기반의 인지 무선 네트워크에서 SU는 일시적으로 비어 있는 채널에 접근하여 데이터를 전송하지만, 주사용자가 사용하고 있는 채널에 접근하면 데이터 전송을 포기하거나 지속적으로 비어 있는 채널에 접근하기 위해 다른 채널로 이동한다. 인지 무선 네트워크에서 에너지 수집(Energy Harvesting; EH) 기능을 갖는 부 사용자는 비어 있는 채널에 접근하여 데이터를 전송하고 주 사용자가 점유한 채널에 접근하면 에너지를 수집하거나 주 사용자가 일시적으로 사용하지 않는 채널에 접근하여 데이터를 전송한다.
그러나, 종래의 인지 무선 네트워크에서 부 사용자는 비어 있는 채널이 없으면 데이터를 전송할 수 없고, 이로 인해 부 사용자의 데이터 전송 성능을 향상시키는데 한계가 있다.
따라서, 인지 무선 네트워크에서 부 사용자의 데이터 전송 성능을 향상시킬 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다.
한국공개특허 제10-2016-0036279호, 발명의 명칭: 주파수 공유 인지 무선 네트워크에서 이차 사용자의 중계기가 에너지 하베스팅하여 이차 사용자의 정보를 중계하는 시스템
본 발명은 인지 무선(Cognitive Radio; CR) 네트워크에서 주변 후방산란 통신(Ambient Backscatter Communication; AmBC) 기능을 갖는 2차 사용자 (Secondary User; SU)의 패킷 전송 성능을 향상시킬수 있는 인지 무선 네트워크에서 2차 사용자의 패킷 전송 성능 개선 방법 및 그 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 인지 무선 네트워크에서 2차 사용자의 패킷 전송 성능 개선 방법은, 인지 무선 네트워크에서 2차 사용자 장치의 패킷 전송 성능 개선을 위한 방법에 있어서, 상기 2차 사용자 장치는, 스펙트럼 센싱으로 1차 사용자 장치의 채널 점유 상태를 판단하는 단계, 상기 2차 사용자 장치는, 1차 사용자 장치에 의해 점유된 채널에 접근한 경우, 에너지 레벨에 기초하여 후방산란 모드 또는 에너지 수집 모드의 동작모드를 결정하는 단계, 상기 2차 사용자 장치는 상기 결정된 동작모드에 따라 동작하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 채널 점유 상태를 판단하는 단계는, 슬롯의 시작점에서 일정 시간동안 샘플링 주파수로 에너지 검출을 수행하여 채널의 점유 상태를 판단할 수 있다.
바람직하게는, 상기 동작모드를 결정하는 단계는, 상기 에너지 레벨에 따른 후방산란 확률을 산출하는 단계, '0'부터 '1'사이의 크기를 갖는 랜덤값을 선택하고, 상기 선택된 랜덤값과 후방산란 확률 값을 비교하는 단계, 상기 랜덤 값이 후방산란 확률 값 이하인 경우 후방산란 모드로 결정하고, 후방산란 확률 값 이하가 아닌 경우 에너지 수집 모드로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 에너지 레벨에 따른 후방산란 확률(
Figure 112018072712675-pat00001
)은 아래 수학식으로 산출될 수 있다.
[수학식]
Figure 112018072712675-pat00002
여기서,
Figure 112018072712675-pat00003
은 2차 사용자 장치의 에너지 레벨, L은 에너지 최대 레벨,
Figure 112018072712675-pat00004
은 슬롯
Figure 112018072712675-pat00005
에서의 채널 센싱 결과를 의미함.
바람직하게는, 상기 동작하는 단계는, 상기 결정된 동작모드가 후방산란 모드인 경우, 상기 1차 사용자 장치로부터의 RF 신호를 반사하여 패킷을 전송하고, 상기 결정된 동작모드가 에너지 수집 모드인 경우, 상기 1차 사용자 장치로부터의 RF 신호를 이용하여 에너지 하베스팅을 수행할 수 있다.
바람직하게는, 상기 2차 사용자 장치는 1차 사용자 장치에 의해 점유되지 않은 채널에 접근한 경우, 무선 전송 방식으로 패킷을 전송할 수 있다.
바람직하게는, 상기 2차 사용자 장치는 후방산란 모드 또는 무선전송 방식으로 패킷을 전송하고, 패킷 전송 성능(R)은 아래 수학식으로 정의될 수 있다.
[수학식]
Figure 112018072712675-pat00006
여기서,
Figure 112018072712675-pat00007
은 에너지 레벨
Figure 112018072712675-pat00008
이 발생할 확률,
Figure 112018072712675-pat00009
은 슬롯
Figure 112018072712675-pat00010
에서의 채널 센싱 결과,
Figure 112018072712675-pat00011
은 슬롯
Figure 112018072712675-pat00012
에서의 채널 점유 상태,
Figure 112018072712675-pat00013
은 무선전송 방식으로 패킷을 전송할 확률,
Figure 112018072712675-pat00014
은 후방산란 모드로 패킷을 전송할 확률,
Figure 112018072712675-pat00015
은 후방산란 확률을 의미함.
바람직하게는, 상기 에너지 레벨 l이 발생할 확률(
Figure 112018072712675-pat00016
)은 에너지 레벨 전이 확률을 고려한 아래 수학식에 의해 정의될 수 있다.
[수학식]
Figure 112018072712675-pat00017
여기서,
Figure 112018072712675-pat00018
,
Figure 112018072712675-pat00019
, Pc는 에너지를 소모할 확률로
Figure 112018072712675-pat00020
, Pd는 검출 확률을 의미함.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 실시예에 따른 인지 무선 네트워크에서 패킷 전송 성능 개선을 위한 2차 사용자 장치에 있어서, 스펙트럼 센싱으로 1차 사용자 장치의 채널 점유 상태를 판단하고, 1차 사용자 장치에 의해 점유된 채널에 접근한 경우, 에너지 레벨에 기초하여 후방산란 모드 또는 에너지 수집 모드의 동작모드를 결정하는 제어부, 상기 제어부에서 결정된 동작모드가 후방산란 모드인 경우, 1차 사용자 장치로부터 수신한 RF 신호의 반사를 이용하여 패킷을 전송하는 후방산란 통신 신호 처리부, 상기 제어부에서 결정된 동작 모드가 에너지 수집 모드인 경우, 상기 1차 사용자 장치로부터의 RF 신호를 이용하여 에너지 하베스팅을 수행하는 에너지 수집부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 1차 사용자 장치에 의해 점유되지 않은 채널에 접근한 경우, 무선 전송 방식으로 패킷을 전송하는 무선통신 신호 처리부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 주 사용자가 점유한 채널에 접근하였을 때 주변 후방산란 통신(Ambient Backscatter Communication; AmBC)으로 패킷을 전송함으로써, 2차 사용자의 패킷 전송 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 2차 사용자의 에너지 레벨을 고려하여 후방산란을 진행하기 때문에 기존에 비해 개선된 전송 성능을 얻을 수 있고, 사물인터넷을 구성하는 무선충전 단말의 주파수 사용 효율과 에너지 효율을 개선시키는 동시에 개선된 전송 성능을 얻을 수 있다.
또한, 2차 사용자가 보유하고 있는 에너지가 충분하면 에너지 수집보다 후방산란을 우선적으로 수행하기 때문에 정적 확률로 후방산란을 수행하는 경우보다 높은 패킷 전송 성능을 얻을 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 사용자의 패킷 전송 성능 개선을 위한 인지 무선 네트워크를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인지 무선 네트워크에서 2차 사용자 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인지 무선 네트워크에서 2차 사용자의 패킷 전송 성능 개선 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 사용자 장치의 채널 모델을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 사용자 장치의 에너지 레벨 종속적 전송을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 사용자 장치의 에너지 모델을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 사용자 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 상태 전이확률
Figure 112018072712675-pat00021
에 따라 변화하는 2차 사용자 장치의 패킷 전송 성능을 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명은 면허대역을 사용하는 1차 사용자 장치가 일시적으로 채널을 점유하지 않을 때 면허대역을 할당받지 못한 2차 사용자 장치가 기회적으로 채널에 접근하여 데이터를 전송하는 인지 무선 기술과 1차 사용자 장치가 사용하는 채널에 접근하여 에너지를 수집하는 무선충전 기술을 기반으로 한다.
또한, 본 명세서 기재된 1차 사용자 장치는 주사용자(Primary User. PU)와 동일한 용어이고, 2차 사용자 장치는 부사용자(Secondary User; SU)와 동일한 용어이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 사용자의 패킷 전송 성능 개선을 위한 인지 무선 네트워크를 설명하기 위한 도면, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인지 무선 네트워크에서 2차 사용자 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 사용자의 패킷 전송 성능 개선을 위한 인지 무선 네트워크는 2차 사용자 장치들(200a, 200b, .., 200n, 이하 200이라 칭함)이 스스로 채널을 감지하여 1차 사용자 장치(100)에 할당된 채널들에 대해 1차 사용자의 점유(사용) 여부를 판단한다. 무선 인지 네트워크는 다수의 채널(ch1, ch2,..., chn)로 구성되어 있는데 1차 사용자 장치(100)는 다수의 채널을 2차 사용자 장치(200)의 방해를 받지 않고 사용하며, 2차 사용자 장치(200)는 1차 사용자 장치(100)를 방해하지 않으며 채널을 선택적으로 사용한다. 각 채널은 1차 사용자 장치(100)가 사용하는 시간(occupied)과 사용하지 않는 시간(idle)로 구분된다. 1차 사용자 장치(100)가 채널을 사용하는 시간 동안 채널은 점유 채널로 동작하며, 1차 사용자 장치(100)가 채널을 사용하지 않는 시간 동안 채널은 비점유 채널(비어있는 채널)로 동작한다.
2차 사용자 장치(200)는 1차 사용자 장치(100)가 점유한 채널에 접근하였을 때 에너지 레벨에 따라 후방산란 모드 또는 에너지 수집 모드로 동작한다. 여기서, 후방산란 모드는 도 2의 (a)와 같이 2차 사용자 장치(EH-ST)가 1차 사용자 장치(H-AP)로부터 수신한 신호를 반사하여 패킷(데이터)를 전송하는 것을 말한다. 에너지 수집(Energy Harvesting; EH) 모드는 도 2의 (b)와 같이 2차 사용자 장치(EH-ST, SR)가 1차 사용자 장치(H-AP)로부터 수신한 RF 신호를 에너지원으로 사용하는 것을 말한다.
또한, 2차 사용자 장치는 1차 사용자 장치에 의해 점유되지 않은 채널에 접근한 경우, 도 2의 (c )와 같이 기존의 무선 전송 방식으로 패킷을 전송한다. 즉, 2차 사용자 장치((EH-ST)는 신호를 생성하고, 그 생성된 신호를 무선전송 방식으로 다른 2차 사용자 장치(SR)로 전송한다.
살핀바와 같이, CR 네트워크에서 2차 사용자 장치(200)는 점유된 채널에 접근하면 주변 신호를 반사하여 데이터를 전송하거나 에너지를 수집하게 되며, 비어 있는 채널에 접근하면 기존의 무선 전송 방식으로 데이터를 전송하게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인지 무선 네트워크에서 2차 사용자의 패킷 전송 성능 개선 방법을 설명하기 위한 도면, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 사용자 장치의 채널 모델을 설명하기 위한 도면, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 사용자 장치의 에너지 레벨 종속적 전송을 설명하기 위한 예시도, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 사용자 장치의 에너지 모델을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 2차 사용자 장치는 스펙트럼 센싱으로 1차 사용자 장치의 채널 점유 상태를 판단한다(S310).
즉, Overlay CRN에서 2차 사용자 장치는 채널의 점유 상태에 대한 정보가 주어지지 않기 때문에, 슬롯(구간
Figure 112018072712675-pat00022
)의 시작점에서
Figure 112018072712675-pat00023
(센싱 구간,
Figure 112018072712675-pat00024
) 동안 샘플링 주파수
Figure 112018072712675-pat00025
로 에너지 검출을 수행하여 센싱 결과
Figure 112018072712675-pat00026
에 따라 채널의 점유 상태를 판단한다. 이때,
Figure 112018072712675-pat00027
이면 채널이 점유되었다고 판단하고,
Figure 112018072712675-pat00028
이면 채널이 비어 있다고 판단할 수 있다.
한편, 채널의 점유 상태 판단 시, 센싱 결과는 채널이 점유된 것으로 판단되었으나 실제로는 1차 사용자 장치가 채널을 점유하지 않은 경우가 있을 수 있다. 따라서, 2차 사용자 장치는 스펙트럼 센싱에 의한 오경보 확률과 검출 확률을 산출할 필요가 있다. 여기서, 오경보 확률은 2차 사용자 장치의 센싱 결과 채널이 점유된 것으로 판단되었으나 1차 사용자 장치가 채널을 점유하지 않은 경우의 확률을 의미한다. 검출 확률은 2차 사용자 장치의 센싱 결과 채널이 점유된 것으로 판단되고, 1차 사용자 장치가 채널을 점유한 경우의 확률을 의미한다.
오경보 확률
Figure 112018072712675-pat00029
은 아래 기재된 수학식 1과 같이 정의되고, 검출 확률
Figure 112018072712675-pat00030
은 아래 기재된 수학식 2와 같이 정의된다. 이때, 1차 사용자 장치의 신호와 잡음을 모두 평균인 '0'이고, 분산이 각각
Figure 112018072712675-pat00031
,
Figure 112018072712675-pat00032
인 순환 대칭 복소 가우시안 신호로 가정하였다. 따라서 샘플의 개수
Figure 112018072712675-pat00033
가 충분히 큰 경우에 오경보 확률
Figure 112018072712675-pat00034
와 검출 확률
Figure 112018072712675-pat00035
는 검출 임계값
Figure 112018072712675-pat00036
에 의해 수학식 1와 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018072712675-pat00037
[수학식 2]
Figure 112018072712675-pat00038
여기서, C는 1차 사용자 장치의 채널 상태,
Figure 112018072712675-pat00039
는 2차 사용자 장치에서 측정한 1차 사용자 장치의 신호대잡음비(Signal-to-Noise Ratio; SNR), Q는 일반화된 마쿰 Q 함수(generalized Marcum Q-function)를 의미할 수 있다.
수학식 1과 수학식 2를 살펴보면, 오경보 확률과 검출 확률을 산출하기 위해서는, 1차 사용자 장치의 채널 상태가 필요하고, 1차 사용자 장치의 채널 상태는 도 4와 같이 모델링될 수 있다. 도 4를 참조하면, 1차 사용자 장치의 채널 상태는 서로 상관된 2개의 상태 {idle
Figure 112018072712675-pat00040
, occupied
Figure 112018072712675-pat00041
}로 모델링될 수 있다.
슬롯
Figure 112018072712675-pat00042
에서 채널이 비어 있을 확률을
Figure 112018072712675-pat00043
, 채널이 1차 사용자 장치에 의해 점유될 확률을
Figure 112018072712675-pat00044
로 정의하면 아래 수학식 3의 안정상태 방정식으로부터
Figure 112018072712675-pat00045
와
Figure 112018072712675-pat00046
를 구할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112018072712675-pat00047
여기서, Po는 채널상태 전이 확률을 의미한다.
따라서, 2차 사용자 장치는 스펙트럼 센싱을 수행하고, 센싱 결과와 1차 사용자 장치의 채널 상태에 기초하여 검출확률, 오경보 확률을 산출할 수 있다.
단계 S310의 수행 후, 2차 사용자 장치가 1차 사용자 장치에 의해 점유된 채널에 접근하면(S320), 2차 사용자 장치는 에너지 레벨에 기초하여 후방산란 모드 또는 에너지 수집 모드의 동작모드를 결정한다(S330). 즉, 2차 사용자 장치는 1차 사용자 장치가 사용하고 있는 채널에 접근한 경우에 1차 사용자 장치의 신호로부터 에너지를 수집할 것인지 1차 사용자 장치로부터의 신호를 반사하여 데이터를 전송할 것인지에 대한 결정이 필요하다.
이에, 2차 사용자 장치는 자신의 에너지 레벨(예컨대, 배터리 잔여량)을 확인하고, 그 에너지 레벨에 따른 후방산란 확률을 산출한다. 에너지 레벨에 따른 후방산란 확률(
Figure 112018072712675-pat00048
)은 아래 수학식 4를 이용하여 산출할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112018072712675-pat00049
여기서,
Figure 112018072712675-pat00050
은 2차 사용자 장치의 에너지 레벨, L은 에너지 최대 레벨,
Figure 112018072712675-pat00051
은 슬롯
Figure 112018072712675-pat00052
에서의 채널 센싱 결과를 의미할 수 있다.
상술한 바와 같이 2차 사용자 장치는 접근한 채널이 점유되었다고 판단한 경우(
Figure 112018072712675-pat00053
)에 에너지 레벨
Figure 112018072712675-pat00054
에 종속적으로 후방산란 확률을 결정한다. 에너지 레벨에 종속적인 후방산란 확률은 도 5와 같이 도시될 수 있다. 도 5는 2차 사용자 장치가 패킷 전송에 필요한 에너지보다 적은 양의 에너지를 보유하고 있는 상태를 에너지 고갈 상태(
Figure 112018072712675-pat00055
)로 정의하고, 후방산란은 0.25
Figure 112018072712675-pat00056
의 전력을 필요로 하기 때문에 전체 에너지 상태(
Figure 112018072712675-pat00057
)에서 후방산란 모드로 동작할 수 있다는 것을 나타낸다.
후방산란 확률 값이 산출되면, 2차 사용자 장치는 0부터 1 사이의 크기를 갖는 랜덤값을 선택하고, 선택된 랜덤값과 후방산란 확률 값을 비교한다. 그 비교결과 랜덤 값이 후방산란 확률 값 이하인 경우 후방산란 모드로 결정하고, 후방산란 확률 값 이하가 아닌 경우 에너지 수집 모드로 결정한다.
다시 말하면, 2차 사용자 장치는 저장된 에너지가 적으면 에너지 수집을 우선으로 수행하고, 보유한 에너지가 많을수록 에너지 수집보다 후방산란 모드를 우선적으로 수행한다. 즉, 2차 사용자 장치는 에너지 레벨이 높을수록 후방산란을 우선적으로 수행하고(Higher
Figure 112018072712675-pat00058
), 에너지 레벨이 낮으면 에너지 수집을 우선적으로 수행한다(Higher (
Figure 112018072712675-pat00059
)).
단계 S330에서 결정된 동작모드가 후방산란 모드이면, 2차 사용자 장치는 1차 사용자 장치로부터의 RF 신호를 반사하여 패킷을 전송하고(S340a), 결정된 동작모드가 에너지 수집 모드이면, 1차 사용자 장치로부터의 RF 신호를 이용하여 에너지 하베스팅을 수행한다(S340b).
후방산란 모드인 경우, 2차 사용자 장치는 1차 사용자 장치로부터의 RF 신호를 반사하여 '1'이 전송된 것으로 할 수 있고, RF 신호를 반사하지 않으면 '0'이 전송된 것으로 할 수 있다. 이처럼, 2차 사용자 장치는 1차 사용자 장치로부터의 RF 신호 반사를 통해 패킷을 전송할 수 있다.
에너지 수집 모드인 경우, 2차 사용자 장치는 1차 사용자 장치로부터의 RF 신호를 수집하여 에너지를 저장한다. 즉, 2차 사용자 장치는 RF 신호를 에너지 원으로 사용한다.
만약, 단계 S320의 판단결과, 2차 사용자 장치가 1차 사용자에 의해 점유되지 않은 비어있는 채널에 접근하면(S350), 2차 사용자 장치는 기존의 무선 전송 방식으로 패킷을 전송한다(S370). 이때, 기존의 무선 전송 방식으로 패킷을 전송한다는 것은 2차 사용자 장치가 신호를 생성하여 송신한다는 것을 의미한다.
상술한 바와 같이 2차 사용자 장치는 1차 사용자 장치가 점유한 채널에 접근하였을 경우에는 후방산란으로 패킷을 전송하거나 에너지를 수집할 수 있고, 1차 사용자 장치가 점유하지 않은 채널에 접근하였을 경우에는 기존의 무선전송 방식으로 패킷을 전송할 수 있다.
이처럼 2차 사용자 장치는 실제로 점유된 채널에 접근하여 에너지 레벨
Figure 112018072712675-pat00060
에 종속적인 확률로 후방산란을 수행하거나, 기존과 마찬가지로 데이터 전송에 필요한 에너지를 보유하고 있으면서(
Figure 112018072712675-pat00061
) 실제로 비어있는 채널에 접근하여(
Figure 112018072712675-pat00062
) 데이터를 전송할 수 있다. 그러면,
따라서, 2차 사용자 장치의 패킷 전송 성능(R)은 아래 수학식 5와 같게 된다.
[수학식 5]
Figure 112018072712675-pat00063
여기서,
Figure 112018072712675-pat00064
은 에너지 레벨이
Figure 112018072712675-pat00065
될 정상확률,
Figure 112018072712675-pat00066
은 슬롯
Figure 112018072712675-pat00067
에서의 채널 센싱 결과,
Figure 112018072712675-pat00068
은 슬롯
Figure 112018072712675-pat00069
에서의 채널 점유 상태를 의미할 수 있다.
수학식 5에서 좌측항목(Transmitting)은 비어있는 채널에 접근하여 데이터를 전송한 경우, 우측항목(Backsacttering)은 후방산란을 수행한 경우를 의미한다. 또한, 수학식 5에서 2차 사용자 장치의 에너지 레벨
Figure 112018072712675-pat00070
이 발생할 확률(
Figure 112018072712675-pat00071
)은 에너지 전이 확률을 고려한 아래 수학식 6과 같이 정의할 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112018072712675-pat00072
여기서,
Figure 112018072712675-pat00073
, Pc는 에너지를 소모할 확률, Pd는 검출 확률,
Figure 112018072712675-pat00074
는 에너지 고갈 상태
Figure 112018072712675-pat00075
이 발생할 확률로
Figure 112018072712675-pat00076
로 정의될 수 있다.
수학식 6에서 에너지를 소모할 확률(Pc)를 산출하기 위해서는 에너지 레벨 전이확률을 고려한 에너지 모델이 필요하고, 에너지 모델은 도 6과 같을 수 있다. 에너지 모델을 이용하여 에너지를 소모할 확률, 에너지를 수집할 확률, 에너지 상태가 변하지 않을 확률을 표시할 수 있다.
먼저, 2차 사용자 장치의 센싱 결과가 '1'이면, 2차 사용자 장치는 데이터 전송을 시도하기 때문에 아래 수학식 7의 확률로 에너지를 소모하여 에너지 레벨이 하위 레벨로 전이하게 된다. 수학식 7은 에너지를 소모할 확률을 산출하는 식일 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112018072712675-pat00077
다음으로, 2차 사용자 장치의 센싱 결과가 '1'이고, 실제로 채널이 점유된 경우, 2차 사용자 장치는 후방산란을 수행하지 않고 에너지를 수집하여야만 2차 사용자 장치의 에너지 레벨이 상위 레벨로 전이할 수 있다. 따라서, 에너지를 수집할 확률은 아래 수학식 8과 같이 정의할 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112018072712675-pat00078
마지막으로 비어 있는 채널을 사용하고 있다고 판단할 오경보 확률과 후방산란을 수행하는 경우에는 에너지 레벨에 변화가 없게 된다. 따라서, 에너지 상태가 변하지 않을 확률은 아래 수학식 9와 같이 정의할 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112018072712675-pat00079

상술한 과정을 통해 2차 사용자 장치는 패킷 전송 성능을 향상시킬 수 있다. 즉, 2차 사용자 장치는 보유하고 있는 에너지가 충분하면 에너지 수집보다 후방산란을 우선적으로 수행하기 때문에 정적 확률로 후방산란을 수행하는 경우보다 높은 패킷 전송 성능을 얻을 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 사용자 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 사용자 장치(200)는 안테나(210), 제어부(220), 무선통신 신호 처리부(230), 후방산란통신 신호 처리부(240), 에너지 수집부(250)를 포함한다.
제어부(220)는 스펙트럼 센싱으로 1차 사용자 장치의 채널 점유 상태를 판단하고, 점유되지 않은 채널에 접근한 경우 무선통신 신호 처리부(230)가 동작하도록 제어하고, 점유된 채널에 접근한 경우 에너지 레벨에 기초하여 후방산란통신 신호 처리부(240) 또는 에너지 수집부(250)가 동작하도록 제어한다.
구체적으로, 제어부(220)는 슬롯의 시작점에서 일정 시간동안 샘플링 주파수로 에너지 검출을 수행하여 센싱 결과(
Figure 112018072712675-pat00080
)에 따라 채널의 점유 상태를 판단한다. 이때,
Figure 112018072712675-pat00081
이면 채널이 점유되었다고 판단하고,
Figure 112018072712675-pat00082
이면 채널이 비어있다고 판단할 수 있다.
그런 후, 제어부(220)는 점유되지 않은 채널에 접근한 경우, 무선통신 신호 처리부(230)가 동작하도록 제어한다. 만약, 점유되지 않은 채널에 접근하면, 제어부(220)는 에너지 레벨에 따른 후방산란 확률을 산출하고, 그 후방산란 확률을 0부터 1 사이에서 랜덤하게 선택된 값과 비교하여, 랜덤값이 후방산란 확률 값 이하인 경우 후방산란통신 신호 처리부(240)가 동작하도록 제어하고, 후방산란 확률 값 이하가 아닌 경우 에너지 수집부(250)가 동작하도록 제어한다.
무선통신 신호 처리부(230)는 RF 신호를 생성하여 안테나(210)를 통해 전송한다. 이때, 무선통신 신호 처리부(230)는 사용하는 무선 통신 기법에 따라 부호화(encoding)하여 신호를 생성하고, 생성된 신호를 안테나(210)를 통해 송신한다. 이때, 무선 통신 기법은 블루투스, 와이파이 등 다양한 통신 방법일 수 있다.
이러한, 무선통신신호 처리부(230)는 신호를 생성하여 안테나(210)를 통해 송신하므로, 신호 생성에 필요한 부호화부(미도시), ADC(미도시) 등의 다양한 구성이 포함될 수 있다.
후방산란 통신 신호 처리부(240)는 안테나(210)를 통해 1차 사용자 장치로부터 수신한 RF 신호의 반사를 이용하여 신호(패킷)을 전송할 수 있다. 즉, 후방산란 통신 신호 처리부(240)는 1차 사용자 장치로부터 수신한 RF 신호를 반사하여 '1'을 전송, RF 신호를 반사하지 않으면 '0'을 전송할 수 있고, 이와 반대의 경우도 가능하다.
이러한 후방산란 통신 신호 처리부(240)는 무선통신 신호 처리부(230)와 달리 신호를 생성하는 것이 아니라, RF 신호의 반사를 이용하여 패킷을 전송할 수 있다.
에너지 수집부(250)는 1차 사용자 장치로부터의 RF 신호를 수신하여 전력 에너지를 생성하는 장치이다. 즉, 에너지 수집부(250)는 1차 사용자 장치로부터의 RF 신호를 안테나(210)를 통해 수신하고, 이를 일정한 직류 전류로 변환하여 배터리(미도시)를 충전한다. 이러한 에너지 수집부(250)는 안테나(210)에서 수신한 RF 신호의 전력 손실을 제거하는 임피던스 매칭 회로(미도시), 임피던스 매칭 회로의 출력 RF 신호를 직류 전류로 변환하는 전류 변환기(미도시) 등을 포함할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 인지 무선 네트워크에서 2차 사용자의 패킷 전송 성능에 설명하기로 한다. Monte-Carlo 모의실험을 통해 2차 사용자의 패킷 전송 성능을 검증하였으며, 모든 에너지 레벨에서 정적 확률로 후방산란을 수행하는 경우 (
Figure 112018072712675-pat00083
)와의 성능을 비교하였다. 모의실험을 위해
Figure 112018072712675-pat00084
=100 ms,
Figure 112018072712675-pat00085
=2 ms,
Figure 112018072712675-pat00086
= 1 MHz,
Figure 112018072712675-pat00087
=1,
Figure 112018072712675-pat00088
=-10 dB,
Figure 112018072712675-pat00089
를 고려하였다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 상태 전이확률
Figure 112018072712675-pat00090
에 따라 변화하는 2차 사용자 장치의 패킷 전송 성능을 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면,
Figure 112018072712675-pat00091
가 증가할수록 채널이 1차 사용자 장치에 의해 빈번하게 점유되어 2차 사용자 장치의 데이터 전송 기회는 감소하기 때문에 패킷 전송 성능은 저하된다. 하지만 주변 후방산란 통신 기능을 고려하였기 때문에,
Figure 112018072712675-pat00092
가 증가하여도 후방산란을 통한 데이터 전송이 가능하여 2차 사용자 장치의 패킷 전송 성능이 계속하여 증가하는 것을 확인할 수 있다. 특히 본 발명과 같이 2차 사용자 장치가 에너지 레벨을 고려하여 동적 확률로 후방산란을 수행할 경우, 에너지가 충분하면 후방산란을 우선적으로 수행하기 때문에 높은 패킷 전송 성능을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 1차 사용자 장치
200 : 2차 사용자 장치
210 : 안테나
220 : 제어부
230 : 무선통신 신호 처리부
240 : 후방산란통신 신호 처리부
250 : 에너지 수집부

Claims (10)

  1. 인지 무선 네트워크에서 2차 사용자 장치의 패킷 전송 성능 개선을 위한 방법에 있어서,
    상기 2차 사용자 장치는, 스펙트럼 센싱으로 1차 사용자 장치의 채널 점유 상태를 판단하는 단계;
    상기 2차 사용자 장치는, 1차 사용자 장치에 의해 점유된 채널에 접근한 경우, 에너지 레벨에 기초하여 후방산란 모드 또는 에너지 수집 모드의 동작모드를 결정하는 단계; 및
    상기 2차 사용자 장치는 상기 결정된 동작모드에 따라 동작하는 단계를 포함하고,
    상기 동작모드를 결정하는 단계는,
    상기 에너지 레벨에 따른 후방산란 확률을 산출하는 단계;
    랜덤값을 선택하고, 상기 선택된 랜덤값과 후방산란 확률 값을 비교하는 단계; 및
    상기 랜덤 값이 후방산란 확률 값 이하인 경우 후방산란 모드로 결정하고, 후방산란 확률 값 이하가 아닌 경우 에너지 수집 모드로 결정하는 단계를 포함하는, 인지 무선 네트워크에서 2차 사용자의 패킷 전송 성능 개선 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 채널 점유 상태를 판단하는 단계는,
    슬롯의 시작점에서 일정 시간동안 샘플링 주파수로 에너지 검출을 수행하여 채널의 점유 상태를 판단하는 것을 특징으로 하는 인지 무선 네트워크에서 2차 사용자의 패킷 전송 성능 개선 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 랜덤값은 '0'부터 '1'사이의 크기를 가지는 인지 무선 네트워크에서 2차 사용자의 패킷 전송 성능 개선 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 에너지 레벨에 따른 후방산란 확률(
    Figure 112018072712675-pat00093
    )은 아래 수학식으로 산출되는 것을 특징으로 하는 인지 무선 네트워크에서 2차 사용자의 패킷 전송 성능 개선 방법.
    [수학식]
    Figure 112018072712675-pat00094

    여기서,
    Figure 112018072712675-pat00095
    은 2차 사용자 장치의 에너지 레벨, L은 에너지 최대 레벨,
    Figure 112018072712675-pat00096
    은 슬롯
    Figure 112018072712675-pat00097
    에서의 채널 센싱 결과를 의미함.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 동작하는 단계는,
    상기 결정된 동작모드가 후방산란 모드인 경우, 상기 1차 사용자 장치로부터의 RF 신호를 반사하여 패킷을 전송하고,
    상기 결정된 동작모드가 에너지 수집 모드인 경우, 상기 1차 사용자 장치로부터의 RF 신호를 이용하여 에너지 하베스팅을 수행하는 것을 특징으로 하는 인지 무선 네트워크에서 2차 사용자의 패킷 전송 성능 개선 방법.
  6. 인지 무선 네트워크에서 2차 사용자 장치의 패킷 전송 성능 개선을 위한 방법에 있어서,
    상기 2차 사용자 장치는, 스펙트럼 센싱으로 1차 사용자 장치의 채널 점유 상태를 판단하는 단계;
    상기 2차 사용자 장치는, 1차 사용자 장치에 의해 점유된 채널에 접근한 경우, 에너지 레벨에 기초하여 후방산란 모드 또는 에너지 수집 모드의 동작모드를 결정하는 단계; 및
    상기 2차 사용자 장치는 상기 결정된 동작모드에 따라 동작하는 단계를 포함하고,
    상기 2차 사용자 장치는 1차 사용자 장치에 의해 점유되지 않은 채널에 접근한 경우, 무선 전송 방식으로 패킷을 전송하고,
    상기 2차 사용자 장치는 후방산란 모드 또는 무선전송 방식으로 패킷을 전송하고, 패킷 전송 성능(R)은 아래 수학식으로 정의되는 것을 특징으로 하는 인지 무선 네트워크에서 2차 사용자의 패킷 전송 성능 개선 방법.
    [수학식]
    Figure 112019070499429-pat00121

    여기서,
    Figure 112019070499429-pat00122
    은 에너지 레벨
    Figure 112019070499429-pat00123
    이 발생할 확률,
    Figure 112019070499429-pat00124
    은 슬롯
    Figure 112019070499429-pat00125
    에서의 채널 센싱 결과,
    Figure 112019070499429-pat00126
    은 슬롯
    Figure 112019070499429-pat00127
    에서의 채널 점유 상태,
    Figure 112019070499429-pat00128
    은 무선전송 방식으로 패킷을 전송할 확률,
    Figure 112019070499429-pat00129
    은 후방산란 모드로 패킷을 전송할 확률,
    Figure 112019070499429-pat00130
    은 후방산란 확률을 의미함.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 에너지 레벨 l이 발생할 확률(
    Figure 112019070499429-pat00108
    )은 에너지 레벨 전이 확률을 고려한 아래 수학식에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는 인지 무선 네트워크에서 2차 사용자의 패킷 전송 성능 개선 방법.
    [수학식]
    Figure 112019070499429-pat00109

    여기서,
    Figure 112019070499429-pat00110
    ,
    Figure 112019070499429-pat00111
    , Pc는 에너지를 소모할 확률로
    Figure 112019070499429-pat00112
    , Pd는 검출 확률을 의미함.
  9. 인지 무선 네트워크에서 패킷 전송 성능 개선을 위한 2차 사용자 장치에 있어서,
    스펙트럼 센싱으로 1차 사용자 장치의 채널 점유 상태를 판단하고, 1차 사용자 장치에 의해 점유된 채널에 접근한 경우, 에너지 레벨에 기초하여 후방산란 모드 또는 에너지 수집 모드의 동작모드를 결정하는 제어부;
    상기 제어부에서 결정된 동작모드가 후방산란 모드인 경우, 1차 사용자 장치로부터 수신한 RF 신호의 반사를 이용하여 패킷을 전송하는 후방산란 통신 신호 처리부;
    상기 제어부에서 결정된 동작 모드가 에너지 수집 모드인 경우, 상기 1차 사용자 장치로부터의 RF 신호를 이용하여 에너지 하베스팅을 수행하는 에너지 수집부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 에너지 레벨에 따른 후방산란 확률을 산출하고, '0'부터 '1'사이의 크기를 가지는 랜덤값을 선택하고, 상기 선택된 랜덤값과 후방산란 확률 값을 비교하고, 상기 랜덤 값이 후방산란 확률 값 이하인 경우 후방산란 모드로 결정하고, 후방산란 확률 값 이하가 아닌 경우 에너지 수집 모드로 결정하는 인지 무선 네트워크에서 2차 사용자 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 1차 사용자 장치에 의해 점유되지 않은 채널에 접근한 경우, 무선 전송 방식으로 패킷을 전송하는 무선통신 신호 처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인지 무선 네트워크에서 2차 사용자 장치.
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