KR102361817B1 - 랑데부 채널 결정 방법 및 기록 매체 - Google Patents

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KR102361817B1
KR102361817B1 KR1020200146054A KR20200146054A KR102361817B1 KR 102361817 B1 KR102361817 B1 KR 102361817B1 KR 1020200146054 A KR1020200146054 A KR 1020200146054A KR 20200146054 A KR20200146054 A KR 20200146054A KR 102361817 B1 KR102361817 B1 KR 102361817B1
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Abstract

본 발명은 랑데부 채널 결정 방법 및 기록 매체에 것으로서, 보다 상세하게는 인지 무선 애드혹 네트워크에서 랑데부를 수행하기 위한 랑데부 채널 결정 방법 및 기록 매체에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 랑데부 채널 결정 방법은, 주기적으로 네트워크의 광고 비콘을 송신하는 클러스터 헤드 노드와 랑데부를 수행하기 위한 클러스터 멤버 노드의 랑데부 채널 결정 방법으로서, 랑데부 채널을 결정하기 위한 주파수 영역을 설정하는 과정; 설정된 주파수 영역 내에서 주파수 구간에 따른 전력 스펙트럼을 산출하는 과정; 산출된 전력 스펙트럼이 시간에 따라 주기적으로 변화하는 주파수 구간을 검출하는 과정; 및 검출된 주파수 구간을 상기 클러스터 헤드 노드와 통신을 수행하기 위한 랑데부 채널로 결정하는 과정;을 포함한다.

Description

랑데부 채널 결정 방법 및 기록 매체{METHOD FOR DETERMINING RENDEZVOUS CHANNEL}
본 발명은 랑데부 채널 결정 방법 및 기록 매체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인지 무선 애드혹 네트워크에서 랑데부를 수행하기 위한 랑데부 채널 결정 방법 및 기록 매체에 관한 것이다.
인지 무선 기술은 할당된 주파수를 가지는 채널이 사용되지 않을 때 이를 탐지하여 해당 채널을 사용하여 통신하는 기술로, 주파수 사용 효율을 극대화하기 위한 기술이다.
할당된 주파수를 가지는 채널의 사용자를 주사용자(primary user)라 하고, 주사용자가 사용하고 있지 않은 채널을 탐지하여 기회적으로 통신을 수행하려는 사용자를 부사용자(secondary user)라 할 때, 부사용자는 할당된 주파수를 가지는 채널을 센싱하여 주사용자의 출현 여부를 판단한다. 이때, 부사용자는 주사용자가 해당 채널을 사용하고 있지 않다고 판단되면 해당 채널을 이용하여 통신을 수행할 수 있다.
인지 무선 애드혹 네트워크는 부사용자들로 구성된 네트워크로서, 부사용자들이 기지국을 비롯한 기타 네트워크 인프라에 의존하지 않고, 부사용자들에 의하여 자율적으로 생성되는 네트워크를 의미한다. 이와 같은 인지 무선 애드혹 네트워크는 일반적인 애드혹 네트워크와는 달리, 사전에 부사용자를 위해 할당된 별도의 채널이 존재하지 않으며, 그에 따라, 인접한 인지 무선 애드혹 네트워크를 스스로 발견하는 절차인, 랑데부(rendezvous)의 수행이 필수적이다.
종래에는, 랑데부를 수행하기 위하여 사전에 명시적으로 정의된 랑데부 채널을 순회하는 라운드 로빈(round-robin) 방식이나, 성능 향상을 위하여 점프 앤 스테이(Jump-and-Stay), 쿼럼 기반 랑데부(Quorum-based rendezvous) 방식 등을 사용하였다. 그러나, 이와 같은 종래의 방식은 랑데부 채널에 대한 정보가 사전에 공유되지 않는 상황에서는 적용할 수 없는 문제점이 있었다. 또한, 종래의 방식에서는 랑데부 채널이 사전에 공유된 경우에도 랑데부 채널의 개수가 증가하는 경우, 랑데부를 위하여 소요되는 시간, 즉 ETTR(Expected time to rendezvous) 및 MTTR(Maximum time to rendezvous)이 필수적으로 증가하게 되는 문제점이 있었다.
KR 10-2015-0115215 A
본 발명은 인지 무선 애드혹 네트워크에서 랑데부 채널이 사전에 정의되지 않은 상태에서도 최적의 클러스터로 랑데부 채널을 결정할 수 있는 랑데부 채널 결정 방법 및 기록 매체를 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 랑데부 채널 결정 방법은, 주기적으로 네트워크의 광고 비콘을 송신하는 클러스터 헤드 노드와 랑데부를 수행하기 위한 클러스터 멤버 노드의 랑데부 채널 결정 방법으로서, 랑데부 채널을 결정하기 위한 주파수 영역을 설정하는 과정; 설정된 주파수 영역 내에서 주파수 구간에 따른 전력 스펙트럼을 산출하는 과정; 산출된 전력 스펙트럼이 시간에 따라 주기적으로 변화하는 주파수 구간을 검출하는 과정; 및 검출된 주파수 구간을 상기 클러스터 헤드 노드와 통신을 수행하기 위한 랑데부 채널로 결정하는 과정;을 포함한다.
상기 주파수 영역을 설정하는 과정은, 상기 클러스터 헤드 노드와 가용 랑데부 채널의 정보가 공유된 경우, 상기 가용 랑데부 채널의 전체 영역을, 랑데부 채널을 결정하기 위한 주파수 영역으로 설정하고, 상기 클러스터 헤드 노드와 가용 랑데부 채널의 정보가 공유되지 않은 경우, 상기 클러스터 멤버 노드가 사용 가능한 채널의 전체 영역을, 랑데부 채널을 결정하기 위한 주파수 영역으로 설정할 수 있다.
상기 클러스터 헤드 노드는 복수 개의 시간 슬롯을 포함하는 프레임 단위로 네트워크의 광고 비콘을 송신하고, 상기 전력 스펙트럼을 산출하는 과정은, 프레임 별로, 복수 개의 시간 슬롯에서 주파수 구간에 따른 전력 값의 분포를 나타내는 전력 스펙트럼을 산출할 수 있다.
상기 주파수 구간을 검출하는 과정은, 시간 슬롯의 변경에 따른 전력 값의 변화량을 확인하는 과정; 전력 값의 변화량이 설정된 변화량 임계치 이상의 값을 가지는 주파수 구간을 추출하는 과정; 및 추출된 주파수 구간이 반복성을 나타내는지 여부를 판별하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 전력 값의 변화량을 확인하는 과정은, 복수 개의 시간 슬롯에서 주파수 구간에 따라 이전 시간 슬롯과의 전력 차이 값을 계산하는 과정; 및 계산된 전력 차이 값이 복수 개의 시간 슬롯에서 주파수 구간에 따라 배열된 제1 매트릭스를 프레임 별로 생성하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 전력 차이 값을 계산하는 과정은, 하기의 수학식 1에 의하여 이루어질 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112020117737271-pat00001
(여기서, f는 주파수 구간, n은 시간 슬롯의 번호, P는 전력 값, δ는 전력 차이값을 의미한다.)
상기 제1 매트릭스를 프레임 별로 생성하는 과정은, 하기의 수학식 2에 의하여 이루어질 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112020117737271-pat00002
(여기서, L은 주파수 구간의 번호, K는 프레임 내 시간 슬롯의 개수, i는 프레임의 번호, Δ는 제1 매트릭스를 의미한다.)
상기 주파수 구간을 추출하는 과정은, 상기 제1 매트릭스의 원소가 설정된 변화량 임계치 이상의 값을 가지는지 여부에 따라 이진법으로 변환된 제2 매트릭스를 프레임 별로 생성하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 제2 매트릭스를 프레임 별로 생성하는 과정은, 하기의 수학식 3에 의하여 이루어질 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112020117737271-pat00003
(여기서, γ는 변화량 임계치, Λ는 제2 매트릭스를 의미한다.)
상기 반복성을 나타내는지 여부를 판별하는 과정은, 프레임 별로 생성된 상기 제2 매트릭스가 누적 합산된 제3 매트릭스를 생성하는 과정; 및 상기 제3 매트릭스의 원소가 설정된 반복성 임계치 이상의 값을 가지는지 여부를 판단하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 제3 매트릭스를 생성하는 과정은, 하기의 수학식 4에 의하여 이루어질 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112020117737271-pat00004
(여기서, d는 반복 설정 값, Ω는 제3 매트릭스를 의미한다.)
상기 설정된 반복성 임계치 이상의 값을 가지는지 여부를 판단하는 과정은, 하기의 수학식 5에 의하여 이루어질 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112020117737271-pat00005
(여기서, ω는 제3 매트릭스의 원소, η은 반복성 임계치를 의미한다.)
상기 반복성을 나타내는지 여부를 판별하는 과정은, 동일한 주파수 구간이 프레임에 따라 h회 연속으로 추출되는 경우 반복성을 나타내는 것으로 판별하고, 상기 반복성 임계치는 하기의 수학식 6에 의하여 결정될 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112020117737271-pat00006
상기 네트워크는 주사용자가 사용하고 있지 않은 채널에서 부사용자들 상호 간의 통신을 수행하는 인지 무선 애드혹 네트워크를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 통신 단말은 전술한 어느 하나에 기재된 랑데부 채널 결정 방법에 따라 랑데부 채널을 결정하기 위한 랑데부 채널 결정부; 및 결정된 랑데부 채널에서 다른 통신 단말과 메시지를 교환하여 네트워크를 형성하기 위한 네트워크 형성부;를 포함한다.
상기 랑데부 채널 결정부는 복수 개의 랑데부 채널을 결정하고, 상기 네트워크 형성부는 결정된 복수 개의 랑데부 채널을 순회하며 다른 통신 단말과 메시지를 교환할 수 있다.
상기 랑데부 채널 결정부가 랑데부 채널을 결정하지 못한 경우, 주기적으로 네트워크의 광고 비콘을 송신하기 위한 비콘 송신부;를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 기록 매체는 전술한 어느 하나에 기재된 랑데부 채널 결정 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램을 저장한 기록 매체일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 랑데부 채널 결정 방법 및 기록 매체에 의하면, 랑데부를 수행하기 위하여 사전에 명시적으로 정의된 랑데부 채널이 존재하지 않는 경우에도 최적의 클러스터로 랑데부 채널을 결정할 수 있다.
즉, 네트워크를 형성하기 위한 복수의 클러스터가 존재하는 경우, 랑데부를 위하여 소요되는 시간, 즉 ETTR(Expected time to rendezvous) 및 MTTR(Maximum time to rendezvous)을 최소화하면서 높은 신호 세기를 가지는 최적의 클러스터로 랑데부 채널을 결정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 통신 단말을 개략적으로 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 랑데부 채널 결정 방법을 개략적으로 나타내는 도면.
도 3은 복수 개의 시간 슬롯을 기반으로 하는 프레임 구조를 나타내는 도면.
도 4는 클러스터 헤드 노드가 주기적으로 네트워크의 광고 비콘을 송신하는 모습을 나타내는 도면.
도 5는 클러스터 멤버 노드가 전력 스펙트럼을 센싱하는 모습을 나타내는 도면.
도 6은 설정된 주파수 영역 내에서 주파수 구간에 따라 전력 스펙트럼을 산출한 모습을 나타내는 도면.
도 7은 시간 슬롯의 변경에 따른 전력 값의 변화량을 확인한 모습을 나타내는 도면.
도 8은 전력 값의 변화량이 설정된 변화량 임계치 이상의 값을 가지는 주파수 구간을 추출한 모습을 나타내는 도면.
도 9는 추출된 주파수 구간이 반복성을 나타내는지 여부를 판별한 모습을 나타내는 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 발명을 상세하게 설명하기 위해 도면은 과장되어 도시될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 통신 단말(100)을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 통신 단말(100)은 랑데부 채널을 결정하기 위한 랑데부 채널 결정부(110) 및 결정된 랑데부 채널에서 다른 통신 단말(100)과 메시지를 교환하여 네트워크를 형성하기 위한 네트워크 형성부(120)를 포함한다.
여기서, 랑데부 채널 결정부(110) 및 네트워크 형성부(120)는 스펙트럼 센싱을 수행하는 복수의 클러스터 멤버 노드에 각각 구비될 수 있다. 여기서, 클러스터 멤버 노드는 인지 무선 통신을 수행하는 부사용자(Secondary User)에 해당하며, 부사용자는 주사용자(Primary User)가 사용하고 있지 않은 채널에서 부사용자들 상호 간의 통신을 수행한다.
또한, 통신 단말(100)이 형성하는 네트워크는 주사용자가 사용하고 있지 않은 채널에서 부사용자들 상호 간의 통신을 수행하는 인지 무선 애드혹 네트워크를 포함한다.
여기서, 인지 무선 애드혹 네트워크는 부사용자들로 구성된 네트워크로서, 부사용자들이 기지국을 비롯한 기타 네트워크 인프라에 의존하지 않고, 부사용자들에 의하여 자율적으로 생성되는 네트워크를 의미한다. 이와 같은 인지 무선 애드혹 네트워크는 일반적인 애드혹 네트워크와는 달리, 사전에 부사용자를 위해 할당된 별도의 채널이 존재하지 않으며, 그에 따라, 인접한 인지 무선 애드혹 네트워크를 스스로 발견하는 절차인, 랑데부(rendezvous)의 수행이 필수적이다.
종래에는, 랑데부를 수행하기 위하여 사전에 명시적으로 정의된 랑데부 채널을 순회하는 라운드 로빈(round-robin) 방식이나, 성능 향상을 위하여 점프 앤 스테이(Jump-and-Stay), 쿼럼 기반 랑데부(Quorum-based rendezvous) 방식 등을 사용하였다. 그러나, 이와 같은 종래의 방식은 랑데부 채널에 대한 정보가 사전에 공유되지 않는 상황에서는 적용할 수 없는 문제점이 있었다. 또한, 종래의 방식에서는 랑데부 채널이 사전에 공유된 경우에도 랑데부 채널의 개수가 증가하는 경우, 랑데부를 위하여 소요되는 시간, 즉 ETTR(Expected time to rendezvous) 및 MTTR(Maximum time to rendezvous)이 필수적으로 증가하게 되는 문제점이 있었다.
본 발명의 실시 예에 따른 인지 무선 에드혹 네트워크는 클러스터 기반의 네트워크로서, 임의의 클러스터 내에서 네트워크 광고 비콘을 주기적으로 송신하는 클러스터 헤드 노드와, 랑데부를 통해 클러스터 헤드의 네트워크 광고 비콘을 인지하고 해당 클러스터 헤드와의 망가입 절차를 수행하는 클러스터 멤버 노드로 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 부사용자는, 고속 푸리에 변환(FFT; Fast Fourier Transform)을 기반으로 스펙트럼 센싱을 수행하는 클러스터 멤버 노드이다. 부사용자는 초기에는 이미 존재하고 있는 클러스터 헤드 노드의 주기적인 네트워크 광고 비콘을 탐색하는 클러스터 멤버 노드 상태로 클러스터 헤드 노드와 랑데부를 시도한다.
본 발명의 실시 예에 따른 랑데부 채널 결정부(110)는 랑데부 채널을 결정하기 위한 주파수 영역을 설정하는 과정, 설정된 주파수 영역 내에서 주파수 구간에 따른 전력 스펙트럼을 산출하는 과정, 산출된 전력 스펙트럼이 시간에 따라 주기적으로 변화하는 주파수 구간을 검출하는 과정 및 검출된 주파수 구간을 클러스터 헤드 노드와 통신을 수행하기 위한 랑데부 채널로 결정하는 과정에 따라 랑데부 채널을 결정한다. 이와 같이 랑데부 채널 결정부(110)가 랑데부 채널을 결정하는 구체적인 내용과 관련하여는 도 2 내지 도 9를 참조하여 후술하기로 한다.
네트워크 형성부(120)는 결정된 랑데부 채널에서 다른 통신 단말(100)과 메시지를 교환하여 네트워크를 형성한다. 즉, 네트워크 형성부(120)는 결정된 랑데부 채널을 이용하여 다른 통신 단말(100)로부터 네트워크 광고 비콘을 수신하고, 수신된 네트워크 광고 비콘에 따라 네트워크 가입을 위한 별도의 메시지 전송 절차를 수행한다. 이와 같이 결정된 랑데부 채널에서 다른 통신 단말(100)과 메시지를 교환하여 네트워크를 형성하는 내용은 공지된 다양한 방식이 적용될 수 있는 바 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
여기서, 본 발명의 실시 예에 따른 랑데부 채널 결정부(110)는 복수 개의 랑데부 채널을 결정하고, 네트워크 형성부(120)는 결정된 복수 개의 랑데부 채널을 순회하며 다른 통신 단말(100)과 메시지를 교환할 수 있다.
랑데부 채널 결정부(110)는 산출된 전력 스펙트럼이 주기적으로 변화하는 주파수 구간을 검출하여 검출된 주파수 구간을 상기 클러스터 헤드 노드와 통신을 수행하기 위한 랑데부 채널로 결정하는데, 이와 같이 결정된 랑데부 채널은 복수 개일 수 있다. 이때, 네트워크 형성부(120)는 결정된 복수 개의 랑데부 채널을 round-robin 방식, Jump-and-Stay 방식, Quorum-based rendezvous 방식으로 순회하며 다른 통신 단말(100)과 메시지를 교환할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 통신 단말(100)은 랑데부 채널 결정부(110)가 랑데부 채널을 결정하지 못한 경우, 주기적으로 네트워크의 광고 비콘을 송신하기 위한 비콘 송신부를 더 포함할 수 있다.
즉, 클러스터 멤버 노드 상태로 클러스터 헤드 노드와의 랑데부를 시도한 부사용자는 클러스터 헤드 노드의 네트워크 광고 비콘을 발견하지 못하는 경우, 스스로가 클러스터 헤드 노드가 되어 네트워크 광고 비콘을 주기적으로 발생시킨다. 여기서, 부사용자가 새롭게 네트워크를 형성하여 클러스터 헤드 노드가 된 경우, 해당 클러스터 헤드 노드는 사전에 정의된 랑데부 채널 집합 혹은 스스로 독립적으로 생성한 랑데부 채널 집합 내의 채널들을 고유의 순서에 따라 주기적으로 호핑(hopping)하며 네트워크 광고 비콘을 송신하는 기능을 수행한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 랑데부 채널 결정 방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 랑데부 채널 결정 방법은, 주기적으로 네트워크의 광고 비콘을 송신하는 클러스터 헤드 노드와 랑데부를 수행하기 위한 클러스터 멤버 노드의 랑데부 채널 결정 방법으로서, 랑데부 채널을 결정하기 위한 주파수 영역을 설정하는 과정(S100), 설정된 주파수 영역 내에서 주파수 구간에 따른 전력 스펙트럼을 산출하는 과정(S200), 산출된 전력 스펙트럼이 시간에 따라 주기적으로 변화하는 주파수 구간을 검출하는 과정(S300) 및 검출된 주파수 구간을 상기 클러스터 헤드 노드와 통신을 수행하기 위한 랑데부 채널로 결정하는 과정(S400)을 포함한다.
주파수 영역을 설정하는 과정(S100)은 랑데부 채널을 결정하기 위한 주파수 영역을 설정한다. 여기서, 주파수 영역을 설정하는 과정(S100)은 상기 클러스터 헤드 노드와 가용 랑데부 채널의 정보가 공유된 경우, 상기 가용 랑데부 채널의 전체 영역을, 랑데부 채널을 결정하기 위한 주파수 영역으로 설정하고, 상기 클러스터 헤드 노드와 가용 랑데부 채널의 정보가 공유되지 않은 경우, 상기 클러스터 멤버 노드가 사용 가능한 채널의 전체 영역을, 랑데부 채널을 결정하기 위한 주파수 영역으로 설정할 수 있다.
즉, 클러스터 헤드 노드와 클러스터 멤버 노드 간 랑데부 채널 집합에 대해 사전 공유된 시스템에서는, 후술되는 주파수 구간에 따른 전력 스펙트럼을 산출하는 과정(S200), 산출된 전력 스펙트럼이 주기적으로 변화하는 주파수 구간을 검출하는 과정(S300) 및 검출된 주파수 구간을 상기 클러스터 헤드 노드와 통신을 수행하기 위한 랑데부 채널로 결정하는 과정(S400)을, 모든 주파수 요소에 대하여 수행할 필요가 없다. 따라서, 사전 공유된 채널들에 해당되는 주파수 구간들에 대해서만 후속의 과정을 수행할 수 있다.
그러나, 클러스터 헤드 노드가 네트워크 광고 비콘을 송신할 채널들에 대하여 클러스터 멤버 노드가 이를 사전에 인지하지 못한 경우, 정책 및 법률에 의해 해당 시스템에 할당된 주파수 영역 내의 모든 주파수 구간에 대하여 주파수 구간에 따른 전력 스펙트럼을 산출하는 과정(S200), 산출된 전력 스펙트럼이 주기적으로 변화하는 주파수 구간을 검출하는 과정(S300) 및 검출된 주파수 구간을 상기 클러스터 헤드 노드와 통신을 수행하기 위한 랑데부 채널로 결정하는 과정(S400)을 수행한다.
전력 스펙트럼을 산출하는 과정(S200)은 설정된 주파수 영역 내에서 주파수 구간에 따른 전력 스펙트럼을 산출한다.
이를 설명하기 위하여, 먼저 모든 노드가 사전 정의된 랑데부 채널 집합을 미리 공유하고 있으며, GPS(Global Positioning System)와 같은 외부 신호를 통해 시간적으로 동기화된 상황을 예로 들어 설명한다.
임의의 인지무선 애드혹 네트워크에서 동작하는 클러스터 헤드 노드는 사전에 정의된 N개의 채널로 구성된 랑데부 채널 집합을 이용하여 네트워크 광고 비콘(NAB; Network Advertisement Beacon)을 송신하고, 임의의 멤버 노드는 네트워크 광고 비콘(NAB) 수신 시 망 가입을 위한 별도의 전송 및 절차를 수행한다.
도 3은 복수 개의 시간 슬롯을 기반으로 하는 프레임 구조를 나타내는 도면이고, 도 4는 클러스터 헤드 노드가 주기적으로 네트워크의 광고 비콘을 송신하는 모습을 나타내는 도면이다. 또한, 도 5는 클러스터 멤버 노드가 전력 스펙트럼을 센싱하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 임의의 인지 무선 애드혹 네트워크는 시간 측면에서 K개의 시간 슬롯으로 구성된 프레임 단위로 동작한다. 즉, 클러스터 헤드 노드는 복수 개의 시간 슬롯을 포함하는 프레임 단위로 네트워크 광고 비콘(NAB)를 송신한다. 클러스터 헤드 노드는, 도 4에 도시된 바와 같이 랑데부 채널 집합 내 임의의 채널을 선택하여, 해당 채널에서 매 프레임마다 1회씩(K개의 시간 슬롯마다 1회씩) 네트워크 광고 비콘(NAB)를 송신하며, 해당 채널에서 M회의 네트워크 광고 비콘(NAB)을 송신한 후(즉, 총 M개의 프레임 후) 채널을 변경하여 동일한 방식으로 네트워크 광고 비콘(NAB)의 전송을 반복한다.
여기서, 랑데부 채널 집합 내, 임의의 두 채널은 주파수 측면에서 겹치지 않는 것을 전제로 하며, 임의의 채널의 대역폭은 B로 고정된다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이 네트워크에 가입되지 않은 부사용자는 네트워크 광고 비콘(NAB)을 발견하기까지 자신의 타이머(timer)를 기준으로, 매 시간 슬롯마다(즉, 매 프레임 K번) 고속 푸리에 변환(FFT) 기반 스펙트럼 센싱을 수행한다. 여기서, 고속 푸리에 변환(FFT) 기반 스펙트럼 센싱은 타임 슬롯 기간 동안 샘플링을 통해 수집된 샘플들로 전력 스펙트럼(PS; Power Spectrum, P(f))을 획득하는 것을 의미한다.
여기서, 전력 스펙트럼을 산출하는 과정(S200)은, 프레임 별로, 복수 개의 시간 슬롯에서 주파수 구간에 따른 전력 값의 분포를 나타내는 전력 스펙트럼을 산출할 수 있다.
즉, P(f)는 랑데부 채널 집합 내 모든 채널을 포함할 수 있는 주파수 대역 전체에 대한 전력 스펙트럼을 의미하며, 이러한 주파수 대역은 인지 무선 네트워크를 위해 법률 또는 정책에 의해 기회적 사용이 허용된 주파수 대역을 의미한다. P(f)는 시스템의 분해능 대역폭(brbw, resolution bandwidth) 단위로 값을 가지며, 임의의 랑데부 채널의 대역폭(B)은 하기의 수학식 1과 같이 분해능 대역폭(brbw)의 배수에 해당하는 대역폭(B)을 가지는 것으로 간주한다.
[수학식 1]
Figure 112020117737271-pat00007
이때, 전력 스펙트럼(PS)은 하기의 수학식 2와 같이 표기될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112020117737271-pat00008
Figure 112020117737271-pat00009
여기서, f는 brbw 간격의 주파수 빈을 의미하며, 관심있는 주파수 대역이 L개의 주파수 빈으로 구성된 경우, f는 상기의 수학식 2와 같이 f1 내지 fL로 표기될 수 있다.
도 6은 설정된 주파수 영역 내에서 주파수 구간에 따라 전력 스펙트럼을 산출한 모습을 나타내는 도면이다. 즉, 도 6(a)는 K=10 인 상황에서 n=1, 2, …, 10, f∈{f1, …, f3750}에 대한 P(f, n)을 나타낸 것이고, 도 6(b)는 이들 10회의 전력 스펙트럼 결과를 중첩하여 보인 것이다. 도 6에서 화살표로 표시된 부분은 클러스터 헤드 노드에 의한 주기적 네트워크 광고 비콘(NAB) 송신이 발생한 지점을 의미한다.
여기서, 주파수 구간을 검출하는 과정(S300)은 시간 슬롯의 변경에 따른 전력 값의 변화량을 확인하는 과정(S310), 전력 값의 변화량이 설정된 변화량 임계치 이상의 값을 가지는 주파수 구간을 추출하는 과정(S320) 및 추출된 주파수 구간이 반복성을 나타내는지 여부를 판별하는 과정(S330)을 포함할 수 있다.
전력 값의 변화량을 확인하는 과정(S310)은 시간 슬롯의 변경에 따른 전력 값의 변화량을 확인한다. 이때, 전력 값의 변화량을 확인하는 과정(S310)은 복수 개의 시간 슬롯에서 주파수 구간에 따라 이전 시간 슬롯과의 전력 차이 값을 계산하는 과정 및 계산된 전력 값의 차이 값이 복수 개의 시간 슬롯에서 주파수 구간에 따라 배열된 제1 매트릭스를 프레임 별로 생성하는 과정을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 전력 차이 값을 계산하는 과정은, 하기의 수학식 3에 의하여 이루어질 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112020117737271-pat00010
(여기서, f는 주파수 구간, n은 시간 슬롯의 번호, P는 전력 값, δ는 전력 값의 변화량을 의미한다.)
즉, 클러스터 멤버 노드는 연속된 두 타임 슬롯에서의 전력 값(PS)을 이용하여 상기의 수학식 3에 의하여 전력 차이 값을 계산한다. 여기서, δ(f, n)은 직전 전력 값(PS) 대비 현재 전력 값(PS)의 상대적인 크기를 dB 단위로 나타낸 것으로, 해당 값이 0보다 큰 경우 현재 전력 값(PS)이 직전 전력 값(PS) 대비 증가하였음을, 0보다 작은 경우, 현재 전력 값(PS)이 직전 전력 값(PS) 대비 감소하였음을 의미한다. δ(f, n)은 주파수 빈 f에서의 전력 변화를 추적하는 것으로, 이와 같이 전력 차이 값을 계산하는 경우, 대역별 잡음 신호의 성분 및 특정 주파수 대역에서 동일한 전력으로 장시간 지속적으로 송출되는 DMB(Digital Multimedia Broadcasting)와 같은 신호의 성분을 제거할 수 있는 효과가 있다.
한편, 제1 매트릭스를 프레임 별로 생성하는 과정은, 하기의 수학식 4에 의하여 이루어질 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112020117737271-pat00011
여기서, L은 주파수 구간의 번호, K는 프레임 내 시간 슬롯의 개수, i는 프레임의 번호, Δ는 제1 매트릭스를 의미한다.
즉, 본 발명의 실시 예에서는 δ(f, n)을 프레임 단위로 수집하여 매트릭스를 구성하며, i번째 프레임에 대해 수집한 δ(f, n)를 이용한 제1 매트릭스는 상기의 수학식 4와 같이 정의된다.
도 7은 시간 슬롯의 변경에 따른 전력 값의 변화량을 확인한 모습을 나타내는 도면이다. 즉, 도 7(a)는 K=10 인 상황에서 n=1, 2, …, 10, f∈{f1, …, f3750}에 대한 δ(f, n)을 나타낸 것이고, 도 7(b)는 이들 10회의 전력 스펙트럼 결과를 중첩하여 보인 것이다. 화살표로 표시된 부분은 클러스터 헤드 노드에 의한 주기적 네트워크 광고 비콘(NAB) 송신이 발생한 지점을 의미한다.
주파수 구간을 추출하는 과정(S320)은 전력 값의 변화량이 설정된 변화량 임계치 이상의 값을 가지는 주파수 구간을 추출한다. 여기서, 주파수 구간을 추출하는 과정(S320)은, 상기 제1 매트릭스의 각 원소가 설정된 변화량 임계치 이상의 값을 가지는지 여부에 따라 이진법으로 변환된 제2 매트릭스를 프레임 별로 생성하는 과정을 포함할 수 있다.
여기서, 제2 매트릭스를 프레임 별로 생성하는 과정은, 하기의 수학식 5에 의하여 이루어질 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112020117737271-pat00012
여기서, γ는 변화량 임계치, Λ는 제2 매트릭스를 의미한다.
본 발명의 실시 예에서는 Δi 매트릭스의 각 요소(element)에 대해 특정 임계값 γ과 비교하여, 동일한 사이즈의 이진 매트릭스 Λi를 도출한다. 여기서 특정 임계값 γ는 설계 파라미터로서, δ(f, n)≥γ 인 경우, 잡음이 아닌 특정 신호가 해당 주파수 빈에 존재하는 것으로 간주되는 값을 적용할 수 있다. 예를 들어, 무선 네트워크 시스템 설계 시 도출한 최소 요구 신호대 잡음비(SNR; Signal to Noise Ratio)를 기준으로 γ을 정의할 수 있다. 이때, 최소 요구 신호대 잡음비가 σ인 경우 γ=10log10(1+σ) 일 수 있으며, 이때 제2 매트릭스는 상기의 수학식 5와 같이 도출된다.
도 8은 전력 값의 변화량이 설정된 변화량 임계치 이상의 값을 가지는 주파수 구간을 추출한 모습을 나타내는 도면이다. 즉, 도 8(a)는 K=10 인 상황에서 n=1, 2, …, 10, f∈{f1, …, f3750}에 대한 λ(f, n)을 나타낸 것이고, 도 8(b)는 이들 10회의 전력 스펙트럼 결과를 중첩하여 보인 것이다. 화살표로 표시된 부분은 클러스터 헤드 노드에 의한 주기적 네트워크 광고 비콘(NAB) 송신이 발생한 지점을 의미한다.
반복성을 나타내는지 여부를 판별하는 과정(S330)은 추출된 주파수 구간이 반복성을 나타내는지 여부를 판별한다. 즉, 추출된 주파수 구간이 δ(f, n)≥γ의 조건을 h회 연속 만족하는지를 판별한다. 여기서, 반복성을 나타내는지 여부를 판별하는 과정(S330)은 프레임 별로 생성된 상기 제2 매트릭스가 누적 합산된 제3 매트릭스를 생성하는 과정 및 상기 제3 매트릭스의 원소가 설정된 반복성 임계치 이상의 값을 가지는지 여부를 판단하는 과정을 포함할 수 있다.
이때, 제3 매트릭스를 생성하는 과정은, 하기의 수학식 6에 의하여 이루어질 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112020117737271-pat00013
(여기서, d는 반복 설정 값, Ω는 제3 매트릭스를 의미한다.)
본 발명의 실시 예에서는 판정 매트릭스 단위(즉, 프레임 주기)로 특정 주파수 빈에서 프레임 주기의 신호가 반복적으로 나타나는지를 검사하며, 이러한 과정은 상기의 수학식 6과 행렬 합을 이용한 Ω 갱신을 통해 수행된다. 여기서, Ω는 L×K 사이즈의 행렬이며, 초기 조건은 Ω=0(영행렬)이다.
또한, 설정된 반복성 임계치 이상의 값을 가지는지 여부를 판단하는 과정은, 하기의 수학식 7에 의하여 이루어질 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112020117737271-pat00014
(여기서, ω는 제3 매트릭스의 원소, η은 반복성 임계치를 의미한다.)
즉, 갱신된 Ω 내 원소들인 ω(f, n)은 다시 반복성을 판별하기 위한 반복성 임계치 η과 비교가 수행되며, 임계치 η 이상의 값에 해당되는 경우, 클러스터 멤버 노드는 해당 주파수 빈에 대한 반복성이 확인된 것으로 간주하고, 네트워크 광고 비콘(NAB)이 존재하는 채널을 추정할 수 있다. 여기서, ω(f, n)의 n은 시간 슬롯의 인덱스(index)가 아닌 매트릭스의 원소 성분의 인덱스를 의미할 수 있다.
도 9는 추출된 주파수 구간이 반복성을 나타내는지 여부를 판별한 모습을 나타내는 도면이다. 즉, 도 9(a)는 K=10 인 상황에서 n=1, 2, …, 10, f∈{f1, …, f3750}에 대한 ω(f, n)을 나타낸 것이고, 도 9(b)는 이들 10회의 전력 스펙트럼 결과를 중첩하여 보인 것이다. 화살표로 표시된 부분은 클러스터 헤드 노드에 의한 주기적 네트워크 광고 비콘(NAB) 송신이 발생한 지점을 의미한다.
여기서, 반복성을 나타내는지 여부를 판별하는 과정(S330)은 동일한 주파수 구간이 프레임에 따라 h회 연속으로 추출되는 경우 반복성을 나타내는 것으로 판별하고, 상기 반복성 임계치는 하기의 수학식 8에 의하여 결정될 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112020117737271-pat00015
이와 같이, 클러스터 멤버 노드는 임의의 주파수 f가 δ(f, n)≥γ 의 조건을 h회 연속 만족하는 경우, 해당 주파수를 네트워크 광고 비콘(NAB)이 존재하는 채널로 추정하고, 해당 주파수로 수신 주파수를 튜닝하여 네트워크 광고 비콘(NAB) 수신을 시도하게 된다. 이때, 클러스터 멤버 노드는 네트워크 광고 비콘(NAB)의 정상 수신 시, 클러스터 헤드 노드에게 메시지를 송신하여 망가입 절차로 진입할 수 있게 된다. 만일, 네트워크 광고 비콘(NAB)의 정상 수신에 실패하게 되면, 클러스터 멤버 노드는 네트워크 광고 비콘(NAB) 탐색을 위한 초기 상태로 돌아가거나, 스스로가 클러스터 헤드 노드가 되어 주기적인 네트워크 광고 비콘(NAB) 방송을 시작하게 된다. 이때, 반복성 임계치는 상기의 수학식 8에 의하여 결정되게 된다. 다만, 수학식 8에서 h의 증가에 따른 η 값의 변화가 단조 증가의 특성을 갖도록, d의 값을 1이 아닌 양의 실수로 제한하며, h는 최소 2 이상의 자연수로 정의될 수 있다.
랑데부 채널로 결정하는 과정(S400)은 검출된 주파수 구간을 상기 클러스터 헤드 노드와 통신을 수행하기 위한 랑데부 채널로 결정한다. 여기서, 랑데부 채널로 결정하는 과정(S400)은 반복성을 나타내는 주파수 구간이 복수 개로 결정될 수 있다. 이와 같이 복수의 랑데부 채널을 가지는 네트워크 광고 비콘(NAB) 채널 목록이 확보되면, 클러스터 멤버 노드는 목록 내의 복수 개의 채널들을 round-robin 방식으로 K 시간 슬롯씩 머무르며 네트워크 광고 비콘(NAB) 수신을 시도하게 된다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 랑데부 채널 결정 방법은 상기의 방법을 수행하게 하는 컴퓨터 프로그램을 저장한 기록 매체에도 적용될 수 있다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 랑데부 채널 결정 방법은 기록 매체에 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 프로그래밍 언어 코드 형태로 구현될 수도 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터에 의해 읽을 수 있고 데이터를 저장할 수 있는 어떤 데이터 저장 장치이더라도 가능하다. 예를 들어, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광디스크, 하드 디스크 드라이브, 플래시 메모리, 솔리드 스테이트 디스크(SSD) 등이 될 수 있음은 물론이다. 또한, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 저장된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 또는 프로그램은 컴퓨터 간에 연결된 네트워크를 통해 전송될 수도 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 랑데부 채널 결정 방법 및 기록 매체에 의하면, 랑데부를 수행하기 위하여 사전에 명시적으로 정의된 랑데부 채널이 존재하지 않는 경우에도 최적의 클러스터로 랑데부 채널을 결정할 수 있다.
즉, 네트워크를 형성하기 위한 복수의 클러스터가 존재하는 경우, 랑데부를 위하여 소요되는 시간, 즉 ETTR(Expected time to rendezvous) 및 MTTR(Maximum time to rendezvous)을 최소화하면서 높은 신호 세기를 가지는 최적의 클러스터로 랑데부 채널을 결정할 수 있다.
상기에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확하게 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시 예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러 가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시 예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.
100: 통신 단말 110: 랑데부 채널 결정부
120: 네트워크 형성부

Claims (18)

  1. 주기적으로 네트워크의 광고 비콘을 송신하는 클러스터 헤드 노드와 랑데부를 수행하기 위한 클러스터 멤버 노드의 랑데부 채널 결정 방법으로서,
    랑데부 채널을 결정하기 위한 주파수 영역을 설정하는 과정;
    설정된 주파수 영역 내에서 주파수 구간에 따른 전력 스펙트럼을 산출하는 과정;
    산출된 전력 스펙트럼이 시간에 따라 주기적으로 변화하는 주파수 구간을 검출하는 과정; 및
    검출된 주파수 구간을 상기 클러스터 헤드 노드와 통신을 수행하기 위한 랑데부 채널로 결정하는 과정;을 포함하고,
    상기 주파수 영역을 설정하는 과정은,
    상기 클러스터 헤드 노드와 가용 랑데부 채널의 정보가 공유된 경우, 상기 가용 랑데부 채널의 전체 영역을, 랑데부 채널을 결정하기 위한 주파수 영역으로 설정하고,
    상기 클러스터 헤드 노드와 가용 랑데부 채널의 정보가 공유되지 않은 경우, 상기 클러스터 멤버 노드가 사용 가능한 채널의 전체 영역을, 랑데부 채널을 결정하기 위한 주파수 영역으로 설정하는 랑데부 채널 결정 방법.
  2. 삭제
  3. 주기적으로 네트워크의 광고 비콘을 송신하는 클러스터 헤드 노드와 랑데부를 수행하기 위한 클러스터 멤버 노드의 랑데부 채널 결정 방법으로서,
    랑데부 채널을 결정하기 위한 주파수 영역을 설정하는 과정;
    설정된 주파수 영역 내에서 주파수 구간에 따른 전력 스펙트럼을 산출하는 과정;
    산출된 전력 스펙트럼이 시간에 따라 주기적으로 변화하는 주파수 구간을 검출하는 과정; 및
    검출된 주파수 구간을 상기 클러스터 헤드 노드와 통신을 수행하기 위한 랑데부 채널로 결정하는 과정;을 포함하고,
    상기 클러스터 헤드 노드는 복수 개의 시간 슬롯을 포함하는 프레임 단위로 네트워크의 광고 비콘을 송신하고,
    상기 전력 스펙트럼을 산출하는 과정은,
    프레임 별로, 복수 개의 시간 슬롯에서 주파수 구간에 따른 전력 값의 분포를 나타내는 전력 스펙트럼을 산출하는 랑데부 채널 결정 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 주파수 구간을 검출하는 과정은,
    시간 슬롯의 변경에 따른 전력 값의 변화량을 확인하는 과정;
    전력 값의 변화량이 설정된 변화량 임계치 이상의 값을 가지는 주파수 구간을 추출하는 과정; 및
    추출된 주파수 구간이 반복성을 나타내는지 여부를 판별하는 과정;을 포함하는 랑데부 채널 결정 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 전력 값의 변화량을 확인하는 과정은,
    복수 개의 시간 슬롯에서 주파수 구간에 따라 이전 시간 슬롯과의 전력 차이 값을 계산하는 과정; 및
    계산된 전력 차이 값이 복수 개의 시간 슬롯에서 주파수 구간에 따라 배열된 제1 매트릭스를 프레임 별로 생성하는 과정;을 포함하는 랑데부 채널 결정 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 전력 차이 값을 계산하는 과정은, 하기의 수학식 1에 의하여 이루어지는 랑데부 채널 결정 방법.
    [수학식 1]
    Figure 112020117737271-pat00016

    (여기서, f는 주파수 구간, n은 시간 슬롯의 번호, P는 전력 값, δ는 전력 차이값을 의미한다.)
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 매트릭스를 프레임 별로 생성하는 과정은, 하기의 수학식 2에 의하여 이루어지는 랑데부 채널 결정 방법.
    [수학식 2]
    Figure 112020117737271-pat00017

    (여기서, L은 주파수 구간의 번호, K는 프레임 내 시간 슬롯의 개수, i는 프레임의 번호, Δ는 제1 매트릭스를 의미한다.)
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 주파수 구간을 추출하는 과정은,
    상기 제1 매트릭스의 원소가 설정된 변화량 임계치 이상의 값을 가지는지 여부에 따라 이진법으로 변환된 제2 매트릭스를 프레임 별로 생성하는 과정;을 포함하는 랑데부 채널 결정 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2 매트릭스를 프레임 별로 생성하는 과정은, 하기의 수학식 3에 의하여 이루어지는 랑데부 채널 결정 방법.
    [수학식 3]
    Figure 112020117737271-pat00018

    (여기서, γ는 변화량 임계치, Λ는 제2 매트릭스를 의미한다.)
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 반복성을 나타내는지 여부를 판별하는 과정은,
    프레임 별로 생성된 상기 제2 매트릭스가 누적 합산된 제3 매트릭스를 생성하는 과정; 및
    상기 제3 매트릭스의 원소가 설정된 반복성 임계치 이상의 값을 가지는지 여부를 판단하는 과정;을 포함하는 랑데부 채널 결정 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제3 매트릭스를 생성하는 과정은, 하기의 수학식 4에 의하여 이루어지는 랑데부 채널 결정 방법.
    [수학식 4]
    Figure 112020117737271-pat00019

    (여기서, d는 반복 설정 값, Ω는 제3 매트릭스를 의미한다.)
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 설정된 반복성 임계치 이상의 값을 가지는지 여부를 판단하는 과정은, 하기의 수학식 5에 의하여 이루어지는 랑데부 채널 결정 방법.
    [수학식 5]
    Figure 112020117737271-pat00020

    (여기서, ω는 제3 매트릭스의 원소, η은 반복성 임계치를 의미한다.)
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 반복성을 나타내는지 여부를 판별하는 과정은,
    동일한 주파수 구간이 프레임에 따라 h회 연속으로 추출되는 경우 반복성을 나타내는 것으로 판별하고,
    상기 반복성 임계치는 하기의 수학식 6에 의하여 결정되는 랑데부 채널 결정 방법.
    [수학식 6]
    Figure 112020117737271-pat00021
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 네트워크는 주사용자가 사용하고 있지 않은 채널에서 부사용자들 상호 간의 통신을 수행하는 인지 무선 애드혹 네트워크를 포함하는 랑데부 채널 결정 방법.
  15. 청구항 1, 3 내지 14 중 어느 한 청구항에 기재된 랑데부 채널 결정 방법에 따라 랑데부 채널을 결정하기 위한 랑데부 채널 결정부; 및
    결정된 랑데부 채널에서 다른 통신 단말과 메시지를 교환하여 네트워크를 형성하기 위한 네트워크 형성부;를 포함하는 통신 단말.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 랑데부 채널 결정부는 복수 개의 랑데부 채널을 결정하고,
    상기 네트워크 형성부는 결정된 복수 개의 랑데부 채널을 순회하며 다른 통신 단말과 메시지를 교환하는 통신 단말.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 랑데부 채널 결정부가 랑데부 채널을 결정하지 못한 경우, 주기적으로 네트워크의 광고 비콘을 송신하기 위한 비콘 송신부;를 더 포함하는 통신 단말.
  18. 청구항 1, 3 내지 청구항 14 중 어느 한 청구항에 기재된 랑데부 채널 결정 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램을 저장한 기록 매체.
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