KR102598631B1 - 시공간 및 주파수 영역에서 간섭분석 기반의 무선 자원 재구성 시스템 및 무선 자원 재구성 방법 - Google Patents
시공간 및 주파수 영역에서 간섭분석 기반의 무선 자원 재구성 시스템 및 무선 자원 재구성 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 CR 네트워크 망을 구성하는 적어도 하나 이상의 CR 유저노드에서의 간섭분석 기반의 무선 자원 재구성 방법에 관한 것으로, 채널 이용 상태정보에 기초하여 공간 영역 상에 존재하는 기존 사용자의 수와 분포를 산출하는 단계; 상기 기존 사용자의 수와 분포에 기초하여 간섭환경 시나리오를 모델링하는 단계; 모델링된 간섭환경 시나리오를 기초로 상기 기존 사용자에게 간섭영향을 미칠 확률인 간섭확률을 산출하는 단계; 상기 간섭확률을 기초로 상기 기존 사용자가 수신하는 수신전력이 미리 설정되는 간섭보호 기준을 충족하는지 판단하는 단계; 및 상기 간섭보호 기준의 충족여부에 기초하여 전송전력을 제어하는 단계를 포함한다. 이에 의해 시공간 및 주파수 영역에서 다수의 CR 사용자가 존재하는 스몰셀들 간 상호공존 가능한 스펙트럼 자원관리를 통해 유휴 채널의 주파수 사용률을 높이고 서비스 품질을 보장할 수 있다.
Description
본 발명은 간섭분석 기반의 무선 자원 재구성 장치 및 무선 자원 재구성 방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 최적의 무선 자원 관리를 통해 유휴채널의 주파수 사용률을 높이고 서비스 품질을 보장할 수 있는 간섭분석 기반의 무선 자원 재구성 시스템 및 무선 자원 재구성 방법에 관한 것이다.
최근 사물인터넷(IoT, Internet Of Things) 발달에 따라 다양한 IoT 기기에서 생성되는 방대한 데이터를 효과적으로 처리하기 위한 컴퓨팅 기술의 패러다임 전환이 빠르게 일어나고 있다. 조사기관에 따르면 2025년까지 인터넷 연결 IoT 기기가 79.4제타바이트에 가까운 데이터를 생성할 것으로 예상되어 스마트 기기에서 IoT를 구성하는 기계, 센서, 카메라에 이르기까지 주요 엔드-엔드(end-end) 단말기에 상당한 변화가 있을 것으로 예상된다.
한편 일각에서는 엔터프라이즈(enterprise) 생성 데이터의 약 10%가 이미 중앙 집중식 데이터 센터 또는 클라우드 외부에서 처리되고 있으며 이 수치가 2025년에는 약 75%에 이를 것으로 예측하고 있다. 이러한 중앙 집중식 컴퓨팅 구조의 클라우드 컴퓨팅은 실시간 처리가 필요한 스마트 공장, 스마트 농장(Farm), 자율주행차 등 다양한 IoT 서비스를 수용하는데 한계가 있음을 시사한다.
따라서 기하급수적으로 증가하는 데이터량 및 네트워크 트래픽에 기반한 클라우드 서버의 과부하 위험으로 인해, 무선 액세스 네트워크 내의 기존 원격 클라우드에서 네트워크 엣지(edge)로의 컴퓨팅 전환은 새로운 패러다임으로서 화두가 될 것으로 예상된다.
이러한 엣지 컴퓨팅은 연산과 데이터 스토리지를 데이터 소스에 더 가깝게 하는 분산 컴퓨팅 패러다임으로서, 사용자가 사용하는 단말기와 가까운 위치에서 컴퓨팅 서비스를 처리하면 보다 빠르고 안정적인 서비스를 받을 수 있고, 유연한 하이브리드 클라우드 컴퓨팅의 혜택을 누릴 수 있게 된다.
특히 IoT를 활용한 스마트 공장의 실시간 데이터 처리와 의사결정에 필요한 대기시간이 길어지는 문제를 극복하는데 효과적이고 센싱 데이터 수집과 분석을 통한 실시간 의사 결정도 지원한다는 장점이 있다.
하지만 실시간으로 기계형 장치(MTD, Machine Type Device) 작동이 필요한 동적 스펙트럼 환경에서 엣지 컴퓨팅의 제한된 주파수 자원은 빈번한 주파수 핸드오프(handoff)를 유발하고, 다른 동종 네트워크와의 간섭으로 인해 심각한 성능 저하가 발생한다는 문제가 있다.
따라서 채널 상태 정보와 같은 시간 변동 파라미터에 기초해 동적으로 무선 자원 분배가 최적화되어야 할 필요가 있다. 이에 종래에는 동적 스펙트럼 환경에서 유휴 채널을 유추하기 위해 주파수 통계를 나타내는 이력 데이터에 기초한 점유 확률 및 상태 전환 확률을 사용해 기존 사용자의 사용 패턴을 학습하거나, 현재 사용자에 대한 간섭 없이 지속적인 의사소통을 가능하게 하기 위해 주파수 감지에 기초한 반응형 핸드오프 방법과 백업 채널 목록을 이용한 사전 핸드오프 방법을 사용하고 있다.
하지만 이러한 종래의 스펙트럼 자원관리는 주파수 영역에서 CR(cognitive radio) 사용자에 대한 스펙트럼 방사 마스크 규격을 비롯하여 공간영역에서 기존 사용자와 CR 사용자 간 채널 경로 상 다양한 전파 전달 특성을 고려하지 않는다는 문제가 있는 물론 다양한 크기의 스몰셀 확산에 따른 셀 간 간섭신호 증가에 효율적으로 대처 가능한 간섭관리가 존재하지 않는다.
따라서 최대 전송전력으로 유휴 채널을 이용하는 CR 사용자와 인접한 대역 및 영역에 존재하는 기존 사용자에게 심각한 간섭영향을 미칠 수 있으며 유휴채널 사용 제한으로 인해 잦은 스펙트럼 핸드오프 동작을 유발한다는 문제가 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 시공간 및 주파수 영역에서 다수의 CR 사용자가 존재하는 스몰셀들 간 상호공존 가능한 스펙트럼 자원관리를 통해 유휴 채널의 주파수 사용률을 높이고 서비스 품질을 보장할 수 있는 간섭분석 기반의 무선 자원 재구성 시스템 및 무선 자원 재구성 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 CR 네트워크 망을 구성하는 적어도 하나 이상의 CR 유저노드에서의 간섭분석 기반의 무선 자원 재구성 방법은, 각 채널을 일정시간 간격으로 구획한 타임슬롯(time slot)별로 산출된 채널 이용 상태정보에 기초하여 공간 영역 상에 존재하는 기존 사용자의 수와 분포를 산출하는 단계; 상기 공간 영역 상에 존재하는 기존 사용자의 수와 분포에 기초하여 간섭환경 시나리오를 모델링하는 단계; 모델링된 간섭환경 시나리오를 기초로 상기 기존 사용자에게 간섭영향을 미칠 확률인 간섭확률을 산출하는 단계; 상기 간섭확률을 기초로 상기 기존 사용자가 수신하는 수신전력이 미리 설정되는 간섭보호 기준을 충족하는지 판단하는 단계; 및 상기 간섭보호 기준의 충족여부에 기초하여 전송전력을 제어하는 단계를 포함한다.
또한 상기 전송전력을 제어하는 단계는, 상기 간섭보호 기준을 충족하지 않으면, 상기 모델링된 간섭환경 시나리오에 포함되는 무선 자원을 재구성하기 위한 매개변수를 결정하는 단계; 결정된 매개변수에 기초하여 상기 간섭보호 기준을 충족할 수 있는 전송전력을 산출하는 단계; 및 산출된 전송전력을 유지하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 산출된 전송전력을 유지하는 단계 이후에 상기 간섭확률을 산출하는 단계, 상기 간섭보호 기준을 충족하는지 판단하는 단계 및 상기 전송전력을 제어하는 단계를 미리 설정된 주기동안 반복수행할 수 있다.
또한, 상기 무선 자원 재구성 방법은, 상기 기존 사용자의 수와 분포를 산출하는 단계 이전에 수행되는 단계로, 상기 CR 유저노드와 함께 상기 CR 네트워크 망을 구성하는 CR 마스터노드로부터 수신하는 백업 채널 목록에서 선순위 채널의 스펙트럼을 센싱하여 유휴 채널인지 확인하고, 상기 유휴 채널이 아니면 차순위 채널로 변경하여 스펙트럼 핸드오프를 수행하는 단계를 더 포함하고, 상기 산출된 전송전력을 유지하는 단계 이후에 상기 간섭확률을 산출하는 단계 및 상기 간섭보호 기준을 충족하는지 판단하는 단계를 재수행한 결과, 상기 간섭보호 기준을 충족하지 않으면, 상기 스펙트럼 핸드오프를 수행하는 단계부터 재수행할 수 있다.
또한, 상기 무선 자원을 재구성하기 위한 매개변수를 결정하는 단계는 유전자 알고리즘에 기반하여 수행될 수 있다.
또한 상기 간섭환경 시나리오에는, 간섭 송신기, 상기 간섭 송신기에 의해 간섭영향을 받는 상기 기존 사용자에 대응되는 피간섭 수신기 및 상기 피간섭 수신기로 전력을 전송하는 피간섭 송신기가 포함되고, 상기 간섭환경 시나리오를 모델링하는 단계에서는, 상기 피간섭 송신기, 피간섭 수신기 및 간섭 송신기에 대한 매개변수와 특정 거리 및 위치, 지형, 지물 중 적어도 하나를 포함하는 무선 자원에 따른 전파 손실 모델을 정의할 수 있다.
또한 상기 간섭확률을 산출하는 단계에서는, 상기 피간섭 수신기가 수신하는 수신전력을 산출하고, 산출된 수신전력에 기초하여 상기 간섭확률을 산출하며, 상기 수신전력은, 상기 피간섭 송신기로부터 상기 피간섭 수신기로 유입되는 수신전력인 dRSS(desired Received Signal Strength)와 상기 간섭 송신기로부터 상기 피간섭 수신기로 유입되는 수신전력인 iRSS(interfered Received Signal Strength)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 간섭환경 시나리오를 모델링하는 단계, 상기 간섭확률을 산출하는 단계는 몬테카를로 알고리즘에 기반하여 수행될 수 있다.
한편 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 CR 네트워크 망을 구성하는 적어도 하나 이상의 CR 유저노드와 CR 마스터노드를 포함하는 무선 자원 재구성 시스템에서, 상기 CR 유저노드는, 각 채널을 일정시간 간격으로 구획한 타임슬롯(time slot)별로 산출된 채널 이용 상태정보에 기초하여 공간 영역 상에 존재하는 기존 사용자의 수와 분포를 산출하고, 상기 공간 영역 상에 존재하는 기존 사용자의 수와 분포에 기초하여 간섭환경 시나리오를 모델링하며, 모델링된 간섭환경 시나리오를 기초로 상기 기존 사용자에게 간섭영향을 미칠 확률인 간섭확률을 산출하는 간섭분석부; 및 상기 간섭확률을 기초로 상기 기존 사용자가 수신하는 수신전력이 미리 설정되는 간섭보호 기준을 충족하는지 판단하고, 상기 간섭보호 기준의 충족여부에 기초하여 전송전력을 제어하는 무선 자원 재구성부를 포함한다.
또한 상기 무선 자원 재구성부는, 상기 간섭보호 기준을 충족하지 않으면, 상기 모델링된 간섭환경 시나리오에 포함되는 무선 자원을 재구성하기 위한 매개변수를 결정하고, 결정된 매개변수에 기초하여 상기 간섭보호 기준을 충족할 수 있는 전송전력을 산출하며, 산출된 전송전력을 유지할 수 있다.
또한 상기 CR 유저노드는, 상기 무선 자원 재구성부를 통해 상기 산출된 전송전력을 유지하도록 한 이후에 상기 간섭분석부를 통해 상기 간섭확률을 산출하고, 상기 피간섭 수신기가 수신하는 수신전력이 상기 간섭보호 기준을 충족하는지 판단하고, 상기 간섭보호 기준의 충족여부에 기초하여 전송전력을 제어하는 과정이 미리 설정된 주기동안 반복수행되도록 할 수 있다.
또한 상기 CR 유저노드는, 상기 CR 마스터노드로부터 수신하는 백업 채널 목록에서 선순위 채널의 스펙트럼을 센싱하는 스펙트럼 센싱부; 및 상기 스펙트럼 센싱결과에 기초하여 유휴 채널인지 확인하고, 상기 유휴 채널이 아니면 차순위 채널로 변경하여 스펙트럼 핸드오프를 수행하는 스펙트럼 핸드오프 수행부를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 CR 유저노드는, 상기 무선 자원 재구성부에서 상기 산출된 전송전력을 유지하는 과정 이후에 상기 간섭분석부를 통해 상기 간섭확률을 산출하는 과정 및 상기 간섭보호 기준을 충족하는지 판단하는 과정을 재수행한 결과 상기 간섭보호 기준을 충족하지 않으면, 상기 스펙트럼 핸드오프 수행부에서 상기 스펙트럼 핸드오프를 수행하는 과정부터 재수행할 수 있다.
또한 상기 무선 자원 재구성부는, 상기 무선자원을 재구성하기 위한 매개변수를 결정하기 위해 유전자 알고리즘을 사용할 수 있다.
또한 상기 간섭환경 시나리오에는, 간섭 송신기, 상기 간섭 송신기에 의해 간섭영향을 받는 상기 기존 사용자에 대응되는 피간섭 수신기 및 상기 피간섭 수신기로 전력을 전송하는 피간섭 송신기가 포함되고, 상기 간섭분석부에서의 상기 간섭환경 시나리오의 모델링은, 상기 피간섭 송신기, 피간섭 수신기 및 간섭 송신기에 대한 매개변수와 특정 거리 및 위치, 지형, 지물 중 적어도 하나를 포함하는 무선 자원에 따른 전파 손실 모델을 정의할 수 있다.
또한, 상기 간섭분석부는, 상기 피간섭 수신기가 수신하는 수신전력을 산출하고, 산출된 수신전력에 기초하여 상기 간섭확률을 산출하며, 상기 수신전력은, 상기 피간섭 송신기로부터 상기 피간섭 수신기로 유입되는 수신전력인 dRSS(desired Received Signal Strength)와 상기 간섭 송신기로부터 상기 피간섭 수신기로 유입되는 수신전력인 iRSS(interfered Received Signal Strength)을 포함할 수 있다.
상술한 본 발명의 일측면에 따르면, 간섭분석 기반의 무선 자원 재구성 시스템 및 무선 자원 재구성 방법을 제공함으로써, 시공간 및 주파수 영역에서 다수의 CR 사용자가 존재하는 스몰셀들 간 상호공존 가능한 스펙트럼 자원관리를 통해 유휴 채널의 주파수 사용률을 높이고 서비스 품질을 보장할 수 있다.
도 1은 종래의 스펙트럼 자원관리를 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 자원 재구성 시스템에서의 스펙트럼 자원관리를 설명하기 위한 개략도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 자원 재구성 시스템의 구성을 설명하기 위한 도면,
도 4는 도 3에 도시된 CR 유저노드의 구체적인 구성을 도시한 블록도,
도 5는 도 4에 도시된 CR 유저노드의 최적화부의 구체적인 구성을 도시한 블록도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 자원 재구성 시스템에서 피간섭 링크와 간섭 링크를 설정하는 과정을 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 자원 재구성 시스템에서 간섭 송신기에 의한 간섭 시나리오를 설명하기 위한 도면,
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 자원 재구성 시스템에서 간섭분석을 처리하는 과정을 도시한 도면,
도 10 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 자원 재구성 시스템에서 무선자원 재구성을 위한 매개변수를 결정하기 위한 과정을 설명하기 위한 도면,
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 자원 재구성 방법을 도시한 도면,
도 15는 도 14의 무선 자원 재구성 방법을 구체적으로 도시한 도면, 그리고,
도 16은 본 발명의 무선 자원 재구성 방법의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 자원 재구성 시스템에서의 스펙트럼 자원관리를 설명하기 위한 개략도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 자원 재구성 시스템의 구성을 설명하기 위한 도면,
도 4는 도 3에 도시된 CR 유저노드의 구체적인 구성을 도시한 블록도,
도 5는 도 4에 도시된 CR 유저노드의 최적화부의 구체적인 구성을 도시한 블록도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 자원 재구성 시스템에서 피간섭 링크와 간섭 링크를 설정하는 과정을 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 자원 재구성 시스템에서 간섭 송신기에 의한 간섭 시나리오를 설명하기 위한 도면,
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 자원 재구성 시스템에서 간섭분석을 처리하는 과정을 도시한 도면,
도 10 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 자원 재구성 시스템에서 무선자원 재구성을 위한 매개변수를 결정하기 위한 과정을 설명하기 위한 도면,
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 자원 재구성 방법을 도시한 도면,
도 15는 도 14의 무선 자원 재구성 방법을 구체적으로 도시한 도면, 그리고,
도 16은 본 발명의 무선 자원 재구성 방법의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
본 발명에 따른 구성요소들은 물리적인 구분이 아니라 기능적인 구분에 의해서 정의되는 구성요소들로써 각각이 수행하는 기능들에 의해서 정의될 수 있다. 각각의 구성요소들은 하드웨어 또는 각각의 기능을 수행하는 프로그램 코드 및 프로세싱 유닛으로 구현될 수 있을 것이며, 두 개 이상의 구성요소의 기능이 하나의 구성요소에 포함되어 구현될 수도 있을 것이다. 따라서 이하의 실시예에서 구성요소에 부여되는 명칭은 각각의 구성요소를 물리적으로 구분하기 위한 것이 아니라 각각의 구성요소가 수행되는 대표적인 기능을 암시하기 위해서 부여된 것이며, 구성요소의 명칭에 의해서 본 발명의 기술적 사상이 한정되지 않는 것임에 유의하여야 한다.
이하에서는 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 스펙트럼 자원관리를 설명하기 위한 도면으로, 기존의 스펙트럼 자원관리는 시간 및 주파수 영역에서 백업채널 목록을 통해 유휴채널을 감지하고, 이렇게 감지된 유휴채널을 신속한 핸드오프 동작을 수행하게 된다.
하지만 기존의 경우 주파수 영역에서 CR 유저노드(100)에 대한 스펙트럼 방사 마스크 규격을 비롯하여 공간영역에서 기존 사용자와 CR 유저노드(100)간 채널 경로 상 다양한 전파 전달 특성을 고려하지 않는다는 문제가 있다.
또한 다양한 크기의 스몰셀 확산에 따른 셀 간 간섭신호 증가에 효율적으로 대처 가능한 간섭관리 또한 부재한 상태이다.
이에 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 자원 재구성 시스템(1, 이하 시스템)은, 이러한 시간만 반영하는 종래의 스펙트럼 자원관리와는 달리 공간영역에서 다수의 CR 유저노드(100)가 존재하는 스몰셀들 간에 상호 공존이 가능하도록 하는 스펙트럼 자원관리를 통해 유휴채널의 주파수 사용률을 높이고, 서비스 품질을 보장할 수 있는 최적의 무선자원 재구성 기술을 제공할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 자원 재구성 시스템(1)에서의 스펙트럼 자원관리를 설명하기 위한 개략도이다. 도면에서와 같이 본 시스템(1)은 시공간 및 주파수 영역에서 기존 사용자(IU)와 상호 공존 가능하도록 스펙트럼 자원을 관리하는데, 구체적으로 도 2를 참고하면 n번째 타임슬롯(time slot)에서 전파환경 및 주파수 이격을 고려한 전송 매개변수를 최적화함으로써 최적의 무선자원을 재구성할 수 있게 된다. 이러한 최적의 무선자원 재구성은 백업채널 목록을 이용한 추론과정에서 전달된 채널정보를 기반으로 기존 사용자(IU)에 대한 간섭보호 기준을 만족하는 매개변수를 결정하여 상호 공존이 가능하도록 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 자원 재구성 시스템(1)의 구성을 설명하기 위한 도면, 도 4는 도 3에 도시된 CR 유저노드(100)의 구체적인 구성을 도시한 블록도, 그리고 도 5는 도 4에 도시된 CR 유저노드(100)의 최적화부(135)의 구체적인 구성을 도시한 블록도, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 자원 재구성 시스템에서 피간섭 링크와 간섭 링크를 설정하는 과정을 도시한 도면, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 자원 재구성 시스템에서 간섭 송신기에 의한 간섭 시나리오를 설명하기 위한 도면, 도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 자원 재구성 시스템에서 간섭분석을 처리하는 과정을 도시한 도면, 그리고 도 10 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 자원 재구성 시스템에서 무선자원 재구성을 위한 매개변수를 결정하기 위한 과정을 설명하기 위한 도면이다.
시스템(1)은 적어도 하나의 CR 유저노드(CR User, 100)와 CR 마스터 노드(CR Master, 200)를 포함하여 CR(Cognitive Radio)네트워크망을 구성한다.
여기서 공존 가능하도록, CR 네트워크 망은 IEEE 802.22. 무선지역통신망(WRAN) 표준에 따라 TV 화이트스페이스(TVWS) 대역을 사용하는 기지국이 광대역 접속 지원이 어려운 교회지역의 IoT 기기를 제어하는 인프라 기반의 CR 망일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
이때 단일 무선망을 구성하는 각 기지국인 CR 마스터 노드(200)는 인접 채널 및 위치에 존재하는 동일한 유형의 셀 간 자체 공존을 위해 데이터베이스 접촉을 통해 CR 네트워크망 내 주파수 자원을 독립적으로 관리하며, CR 유저노드(100)는 CR 마스터 노드(200)의 관리 하에 있는 단말기로서, CR 네트워크 망 내 유휴 주파수 자원을 기회주의적으로 사용할 수 있다. 그리고 이러한 시스템(1)은 무선 자원 재구성 방법을 수행하기 위한 소프트웨어(어플리케이션)를(을) 통해 제어될 수 있다.
이를 위해 CR 유저노드(100)는 각각 CR 네트워크망에서의 채널상태를 센싱한 센싱 데이터를 CR 마스터 노드(200) 측으로 전달(① sensing data)하고, CR 마스터노드(100)는 이를 데이터베이스(Database)에 전달하여 저장시킨다. 또한, CR 마스터노드(100)는 일정 주기동안의 CR 네트워크에서의 통계 정보를 나타내는 히스토리 데이터를 데이터베이스 측으로부터 전달받아(② history data) 이를 기초로 백업채널 목록을 생성하고, 이를 CR 유저노드(200) 측에 전달(Backup channel)한다.
또한, CR 유저노드(200)는 일정 주기동안 CR 마스터노드(100)로부터의 백업채널 목록에 기초하여 스펙트럼 센싱(Spectrum sensing) 및 스펙트럼 핸드오프를 수행한다. 이때 스펙트럼 센싱을 수행한 결과 해당 채널이 유휴채널인 것으로 추론되면 해당 유휴채널과 인접한 채널 및 위치에 존재하는 기존 사용자(IU)와의 간섭발생 유무를 확인하고, 간섭이 발생할 것으로 추론되면 유휴채널을 이용할 때 간섭발생이 되지 않도록 하는 간섭보호 기준을 만족할 수 있도록 하는 전송전력을 도출하여 도출된 전송전력으로 통신을 수행하도록 할 수 있다.
이를 위해 CR 유저노드(100)는 통신부(110), 제어부(130), 및 저장부(120)를 포함할 수 있다. 통신부(110)는 CR 마스터 노드(200)를 포함하는 외부장치와 각종 정보를 송수신하기 위해 마련되며, 스펙트럼 센싱부(131)로부터의 센싱데이터를 CR 마스터 노드(200) 측에 전송하고, CR 마스터 노드(200)로부터 백업채널 목록을 수신할 수 있다. 저장부(120)는 통신부(110) 및 제어부(130)로부터 송수신되거나 생성된 정보를 저장하기 위해 마련되며 이러한 저장부(120)에는 무선 자원 재구성 방법을 수행하기 위한 소프트웨어(어플리케이션)가 저장될 수 있다.
제어부(130)는 스펙트럼 센싱부(131), 스펙트럼 핸드오프 수행부(133) 및 최적화부(135)를 포함할 수 있다.
스펙트럼 센싱부(131)는 일정 주기동안 스펙트럼을 감지하여 채널 상태 정보인 센싱데이터를 생성할 수 있다. 이렇게 생성된 센싱데이터는 시간과 주파수 영역에서의 사용자의 통계적 특성을 나타내는 사용자 활동패턴을 생성하는데 사용될 수 있다. 이러한 스펙트럼 센싱부(131)는 CR 마스터 노드(200)로부터 수신하는 백업 채널 목록에서 선순위 채널의 스펙트럼을 센싱할 수 있다.
특히 본 발명의 CR 유저노드(100)는 추론엔진으로 구성된 스펙트럼 핸드오프 수행부(133)를 포함하여, 다른 유휴 채널로 스펙트럼 핸드오프 연산을 수행함으로써 기존 사용자를 방해하지 않고 지속적인 통신이 가능하도록 제어할 수 있다.
보다 구체적으로, 스펙트럼 핸드오프 수행부(133)는 백업채널 목록에서 선순위 채널의 스펙트럼을 센싱한 결과에 기초해 유휴 채널인지 확인하고, 유휴 채널이면 해당 채널을 유지하지만, 유휴 채널이 아니면 차순위 채널로 변경하여 스펙트럼 핸드오프를 수행할 수 있다.
이때 스펙트럼 핸드오프 수행부(133)는 CR 마스터 노드(200)가 백업채널 목록을 생성하기 위한 제1 주기(학습주기)에 후속하는 제2 주기(추론주기)동안 기설정된 횟수까지 상술한 과정을 반복하여 수행할 수 있다.
최적화부(135)는 CR 유저노드(100)가 유휴채널을 사용할 때 기존 사용자에게 심각한 간섭영향을 미치지 않도록 하여 CR 유저노드(100)가 최대 전송전력으로 유휴채널을 사용하도록 하거나, 간섭보호 기준을 만족할 수 있는 전송전력을 사용할 수 있도록 한다.
구체적으로 이러한 최적화부(135)는 간섭분석부(1351) 및 무선 자원 재구성부(1353)를 포함하여 마련될 수 있다.
간섭분석부(1351)는 스펙트럼 핸드오프 수행부(133)에서 유휴 채널을 확인하면, 각 채널을 일정시간 간격으로 구획한 타임슬롯(time slot)별로 산출된 채널 이용 상태정보에 기초하여 공간 영역 상에 존재하는 기존 사용자의 수와 분포를 산출할 수 있다.
그리고 간섭분석부(1351)는 공간 영역 상에 존재하는 기존 사용자의 수와 분포에 기초하여 피간섭 송신기(Wanted Transmitter), 피간섭 수신기(Victim Receiver) 및 간섭 송신기(Interfering Transmitter)를 포함하는 간섭환경 시나리오를 모델링할 수 있다.
이러한 간섭분석부(1351)에서의 간섭환경 시나리오의 모델링은, 도 6을 참고하면 피간섭 송신기(Wanted Transmitter), 피간섭 수신기(Victim Receiver) 및 간섭 송신기(Interfering Transmitter)에 대한 매개변수와 특정 거리 및 위치, 지형, 지물 중 적어도 하나를 포함하는 무선 자원에 따른 전파 손실 모델을 정의하는 것일 수 있다. 여기서 간섭 송신기(Interfering Transmitter)는 기존 사용자 기기, 즉 피간섭 수신기(Victim Receiver)에 간섭 영향을 미치는 CR 유저노드(200)를 의미하는 것일 수 있다.
구체적인 예로, 시뮬레이션을 위한 피간섭 링크(상단) 및 간섭 링크(하단)의 매개변수를 다음과 같을 수 있다.
또한 간섭분석부(1351)는 모델링된 간섭환경 시나리오를 기초로 피간섭 수신기(Victim Receiver)가 수신하는 수신전력을 산출하고, 산출된 수신전력에 기초하여 간섭확률을 산출할 수 있다.
간섭분석부(1351)에서 산출되는 수신전력은, 피간섭 송신기(Wanted Transmitter)로부터 피간섭 수신기(Victim Receiver)로 유입되는 수신전력인 dRSS(desired Received Signal Strength)와 간섭 송신기로부터 피간섭 수신기로 유입되는 수신전력인 iRSS(interfered Received Signal Strength)을 포함할 수 있다.
이를 위해 간섭분석부(1351)는 몬테카를로 알고리즘에 기반하여 간섭환경 시나리오를 모델링하고, 이를 통해 간섭확률을 산출할 수 있다.
간섭분석부(1351)에서 수행되는 몬테카를로 알고리즘 기반의 간섭분석은 특정 간섭 시나리오 환경에 적용되는 입력 파라미터를 기반으로 랜덤하게 발생된 전파 전달 관련 표본들을 산출하게 되며, 산출된 표본들을 이용하여 사용자간 간섭확률을 계산할 수 있다.
이러한 간섭분석부(1351)는 사용자 인터페이스부(13511), 이벤트 발생부(13513), 간섭계산부(13515)를 포함할 수 있다.
사용자 인터페이스부(13511)는 사용자 정의에 따라 간섭환경 시나리오에서 피간섭원(피간섭 송신기 및 피간섭 수신기) 및 간섭원(간섭 송신기)에 대한 파라미터(예를 들어, 안테나 높이, 전송전력 및 중심 주파수 등)과 특정 거리 및 위치, 지형, 지물 등에 따른 전파 손실 모델을 정의할 수 있다.
이러한 간섭환경 시나리오는 도 6에 도시된 바와 같이 피간섭 링크(Victim link)와 간섭 링크(Interfering link)로 구분될 수 있다. 피간섭 링크(victim link)는 면허 대역에서 특정 위치 및 시간에서 사용중인 기존 사용자를 정의하며, 피간섭 송신기(Wanted Transmitter)와 피간섭 수신기(Victim Receiver)로 구성될 수 있다. 간섭 링크(Interfering link)는 면허 대역에서 CR 기술을 이용한 기회주의적 주파수 이용방식을 통해 특정 시간 및 위치에서 기존 사용자가 사용하지 않는 유휴채널을 일시적으로 점유하여 사용하는 통신을 의미할 수 있으며 피간섭 수신기(Victim Receiver)와 복수의 간섭 송신기(Interfering Transmitter)로 구성될 수 있다.
한편 이벤트 발생부(13513)는 사용자 인터페이스부(13511)에서 생성된 간섭환경 시나리오에 기초하여 시뮬레이션을 수행하여 피간섭 수신기(Victim Receiver)에 유입되는 수신전력을 산출할 수 있다.
이러한 이벤트 발생부(13513)는 도 6에 도시된 간섭환경 시나리오에서 매개변수로 정의되는 주파수 이격, 공간상 거리와 간섭 송신기(Interfering Transmitter)의 개수, 간섭 송신기(Interfering Transmitter)에 의한 일정수의 이벤트동안 반복적인 시뮬레이션을 통해 피간섭 수신기(Victim Receiver)에 유입되는 피간섭 송신기(Wanted Transmitter)로부터의 수신전력인 dRSS와 간섭 송신기(Interfering Transmitter)로부터의 수신전력인 iRSS를 산출할 수 있다.
이벤트 발생부(13513)는 피간섭 링크(Victim link)를 구성하는 피간섭 송신기(Wanted Transmitter)와 피간섭 수신기(Victim Receiver)에 대한 전송전력()과 안테나 이득()을 정의하며 도심 내 피간섭 송신기(Wanted Transmitter)와 피간섭 수신기(Victim Receiver)간의 거리 및 불특정 다수의 장애 요소들로 인한 전파 환경을 고려한 경로손실()을 이용하여 하기의 수학식 1과 같이 dRSS를 산출할 수 있다.
[수학식 1]
그리고 이벤트 발생부(13513)는 도 7에 도시된 바와 같이 주파수 영역에서 발생되는 간섭발생 요인 중 간섭 송신기(Interfering Transmitter)의 완벽하지 못한 펄스형성과 간섭 송신기를 구성하는 개별 소자에서 발생하게 되는 원치않는 방사 구성성분 , 간섭 송신기(Interfering Transmitter)와 피간섭 수신기(Victim Receiver) 간의 거리와 전파환경을 고려한 경로손실() 및 간섭 송신기(Interfering Transmitter)의 전송전력을 이용하여 간섭 송신기(Interfering Transmitter)로부터의 수신전력인 를 하기의 수학식 2를 통해 산출할 수 있다.
[수학식 2]
+ +
그리고 이벤트 발생부(13513)는 서로 다른 채널과 임의의 위치에서 작동하는 n개의 간섭 송신기(Interfering Transmitter)들이 존재하는 경우, 피간섭 수신기(Victim Receiver)로 유입되는 수신 신호전력들의 합은 하기의 수학식 3을 통해 산출될 수 있다. 여기서 으로 정의될 수 있다.
[수학식 3]
간섭계산부(13515)는 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 피간섭 수신기(Victim Receiver)의 민감도보다 높은 dRSS(=C) 값을 갖는 N번째 이벤트에서 취득한 iRSS를 사용하여 을 계산할 수 있고 피간섭 수신기(Victim Receiver)에 대한 간섭 보호비 와 비교한다.
간섭계산부(13515)는 만약 이 보다 큰 경우에는 'Good', 이 보다 작은 경우에는 'Interfered'로 간섭발생 유무를 확인하게 되며, 이와 같은 과정은 전체 N개 이벤트 동안 반복적으로 수행할 수 있다. 이벤트가 종료된 후에는 실제 이벤트 개수 중 간섭이 발생된 의 확률을 하기 수학식 4를 통해 최종적으로 산출할 수 있다. 이때 실제 이벤트 개수는 앞서 정의한 바와 같이 피간섭 수신기(Victim Receiver)의 민감도보다 높은 dRSS값을 갖는 이벤트 수를 의미할 수 있다.
[수학식 4]
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한편 무선 자원 재구성부(1353)는 간섭분석부(1351)에서 산출된 간섭확률을 입력값으로 사용하여 피간섭 수신기(Victim Receiver)가 수신하는 수신전력이 미리 설정되는 간섭보호 기준을 충족하는지 판단할 수 있다.
그리고 무선 자원 재구성부(1353)는 간섭보호 기준의 충족여부에 기초하여 전송전력을 제어할 수 있다.
구체적으로, 이러한 무선 자원 재구성부(1353)는 간섭보호 기준을 충족하지 않으면, 모델링된 간섭환경 시나리오에 포함되는 무선 자원을 재구성하기 위한 매개변수를 결정하고, 결정된 매개변수에 기초하여 간섭보호 기준을 충족할 수 있는 전송전력을 산출할 수 있다.
그리고 무선 자원 재구성부(1353)는 이렇게 산출된 전송전력을 유지하도록 할 수 있으며, 무선자원을 재구성하기 위한 매개변수를 결정하기 위해 도 10 내지 도 13에 도시된 바와 같이 유전자 알고리즘을 사용할 수 있다.
구체적으로 상술한 바와 같이 몬테카를로 알고리즘에 기반하여 간섭분석부(1351)에서 획득한 간섭확률 결과를 바탕으로 최적의 무선자원 재구성을 위해 사용되는 유전자 알고리즘은 취급 변수들의 생물학적 모델링을 통해 자연적인 진화과정을 모방한 최적화 알고리즘이다. 이러한 유전자 알고리즘은 다윈의 진화론을 기반으로 고려되는 시나리오 환경에서 적응하지 못하는 미약한 종은 도태되고 강한 종은 다음 세대로 남겨질 확률이 크다는 점을 기본 특징으로 한다.
이와 같은 유전자 알고리즘 구조는 초기 집단(population) 생성, 적합도(fitness) 평가, 기본 유전 연산자(재생산, 교배, 돌연변이)로 구성되어 있다. 따라서 본 발명의 무선 자원 재구성부(1353)는 초기 집단 생성부(13531), 적합도 평가부(13533) 및 유전 연산부(13535)를 포함하여 마련될 수 있다.
도 10은 초기집단을 이용한 간섭분석의 수행 과정을 나타낸 도면으로, 도시된 바와 같이 초기 집단 생성부(13531)는 k세대(k번째 반복횟수)에서의 집단을 나타내는 초기 집단P(k)는 2진 스트링(Binary string)값을 갖는 N개 염색체(Chromosome)개체들의 집합으로 다음과 같이 정의될 수 있다.
여기서 는 i번째 염색체로서 탐색 공간상의 한 점을 나타내며, 본 발명의 초기 집단 생성부(13531)는 초기집단 P(k=o)생성을 위해 난수발생기를 이용하여 NL(=집단크기X염색체 길이)개의 이진 정수로 염색체를 초기화하는 무작위 초기화(Random initialization)방식을 이용할 수 있다.
한편 적합도 평가부(13533)는 도 11에서와 같이 우선적으로 초기 집단 내 각각의 염색체들에 대해 복호화과정을 수행하게 되며, 표현형(Phenotype)으로 변환된 입력변수 x를 이용하여 간섭분석을 수행하게 된다. 이후 목적함수 F(x)에 대입하여 입력 변수 x가 얼마나 행에 적합한지 적합도 함수를 통해 계산한다.
이때 적합도 함수는 항상 최대화 문제 형태로 기술되어야 하며 음의 값을 가져서는 안된다. 이에 따라 본 발명에서는 목적함수 F(x)에 적절한 상수 를 더한 다음 그 역을 취하는 방법으로 하기의 수학식 5와 같은 적합도 함수를 이용할 수 있다.
여기서 는 모든 입력 변수 x에 대해 >0 관계를 만족시키는 상수로서, 이를 정할 때 항상 F(x)의 최솟값에서 f(x)가 과도하게 큰 값을 갖지 않도록 해야 한다. 그러나 세대 진행과 무관하여 를 고정하면 선택압(Selection pressure)이 떨어지기 때문에 본 발명에서는 적합도 스케일링(Scaling window)을 통해 세대가 진행됨에 따라 적응적으로 최적의 입력변수를 적용하도록 하였다.
구체적으로 적합도 스케일링은 상술한 바와 같이 실제 환경에서 를 사전에 알기 어렵기 때문에 경험과 실험결과를 바탕으로 충분히 작은 값을 갖는 것이지만 세대 진행과 무관하게 을 고정하면 후기 세대에서 선택압이 떨어지는 문제를 갖게 된다.
이에 본 발명의 적합도 평가부(13533)에서는 과거의 다수 세대 집단에서 목적함수의 최솟값을 를 계속 변경해줌으로써 일관된 선택압을 유지할 수 있도록 하고, 사용된 집단의 수를 스케일링 윈도우라고 하였을 때, 크기에 따라 3가지 스케일링 모드로 동작하도록 하며 이는 다음과 같을 수 있다.
상기 표에서 7은 목적함수의 최솟값 가 7인 경우이며, 꼭 이에 한정되는 것은 아니다.
한편 유전 연산부(13535)는 적합도 평가에 따라 재생산, 교차 및 돌연변이 연산을 순차적으로 수행할 수 있다.
먼저 재생산(reproduction)은 적합도 결과 값을 기반으로 집단 P(k) 내 개체들을 선택하여 교배급원(Mating Pool) P(k+1)을 형성하게 된다. 이러한 선택은 집단 내 약한 개체들은 제거하고 강한 개체를 선택함으로써 집단 내 유전자들이 이후 세대의 집단에서 넓게 퍼지도록 할 수 있다. 재생산 알고리즘을 구현하는 방법에서는 룰렛휠 선택(roulette wheel selection), 토너먼트 선택(Tournament selection), 순위에 기초한 선택(Ranking based selection) 등이 있을 수 있으며, 본 발명에서는 유전자 알고리즘에서 폭넓게 이용되고 있는 룰렛휠 알고리즘을 사용하였으나, 꼭 이제 한정되는 것은 아니며 상술한 다양한 방법 중 하나일 수 있다.
룰렛휠 알고리즘은 선택 확률의 크기에 따라 이전의 집단에서 염색체를 선택하고 복제할 수 있다. 그러나 유전자를 변경할 수 없기 때문에 집단 내 전체 유전자형의 변화에는 영향을 주지 못한다. 또한 확률적 속성 때문에 선택 과정에서 최적 개체를 선택하지 못할 수도 있다는 단점이 있다.
이에 본 발명의 유전 연산부(13535)는 이를 보완하기 위한 방법으로 도 12에 도시된 바와 같이 엘리트 전력(Elitist strategy)을 적용하였으며, 이를 통해 집단 내에서 가장 강한 개체가 다음 세대로 소멸되지 않고 전달되는 것을 보장할 수 있다.
한편 유전 연산부(13535)에서 교배(Crossover)는 교배급원으로부터 부모 염색체 쌍을 임의로 선택하고 교배점 이후의 비트들을 서로 교환 결합함으로써 자손을 생성하게 되며 부모 집단의 크기와 같아질 때까지 반복하여 연산하게 된다. 이와 같은 교배 알고리즘을 구현하는 방법으로는 일점교배(One-point Crossover), 다점교배(Multi-point Crossover) 등이 있으며, 본 발명의 유전 연산부(13535)는 일점교배 방식을 통해 자손을 생성하는 것으로 하였으나, 꼭 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 일점교배 방식은 흔히 표준교배로도 불리며 유전자 알고리즘의 기본 연산자로서 한 사이클동안 연산은 다음과 같이 3단계로 구분될 수 있다.
이러한 재생산과 교배 연산과정을 통해 점차 세대 말기에는 서로 유사한 형태를 지닌 염색체들로 진화하게 된다. 그러나 세대 초기에는 유전자의 다양성 결핍으로 인해 준최적해(Optimal Soution) 또는 사점(Dead Corner)에 빠질 수 있다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 돌연변이(Mutation)가 이용되며, 유전자 연산부(13535)는 도 13에 도시된 바와 같이 교배 및 돌연변이를 이용하여 교배급원을 생성할 수 있다.
이러한 돌연변이는 염색체 내의 비트를 돌연변이 확률을 토대로 변경시킴으로써 초기 세대에서 모든 염색체의 특정 비트가 고정되는 것을 방지하는 역할을 수행하게 되며 다음과 같은 3가지 단계로 구분될 수 있다.
이처럼 간섭분석부(1351) 및 무선 자원 재구성부(1353)를 포함하는 최적화부(135)는, 무선 자원 재구성부(1353)를 통해 산출된 전송전력을 유지하도록 한 이후에 간섭분석부(1351)를 통해 간섭확률을 산출하고, 피간섭 수신기(Victim Receiver)가 수신하는 수신전력이 간섭보호 기준을 충족하는지 판단하고, 간섭보호 기준의 충족여부에 기초하여 전송전력을 제어하는 과정이 미리 설정된 주기동안 반복수행되록 할 수 있다.
또한 최적화부(135)는 무선 자원 재구성부(1353)에서 산출된 전송전력을 유지하는 과정 이후에 간섭분석부(1351)를 통해 간섭확률을 산출하는 과정과 간섭보호 기준을 충족하는지 판단하는 과정을 재수행한 결과 간섭보호 기준을 충족하지 않으면, 스펙트럼 핸드오프 수행부(133)에서 스펙트럼 핸드오프를 수행하는 과정부터 재수행하도록 할 수 있다.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 CR 유저노드(100)는 백업채널 목록을 이용한 스펙트럼 센싱을 통해 유휴채널을 추론하고, 만약 기존 사용자가 감지된 경우, 다음 순위에 해당하는 백업채널 선택 및 센싱을 통해 신속한 스펙트럼 핸드오프 동작을 수행할 수 있다.
특히 본 발명의 CR 유저노드(100)는 최대 전송전력으로 유휴채널 이용 시 간섭보호 기준을 만족하면 현재 이용중인 채널과 전송전력을 유지하지만, 간섭보호 기준을 만족하지 못하면 최적화부(135)를 통해 최적 무선자원 재구성을 통해 간섭보호 기준을 만족하는 전송전력을 도출하고 이를 유지함으로써 다수의 CR 유저가 존재하는 스몰셀들 간에 상호 공존이 가능하도록 할 수 있다.
만약 도출된 전송전력을 유지하였음에도 불구하고 간섭보호 기준을 만족하지 못하면 CR 유저노드(100)는 다음 백업 채널을 선택하여 이상의 과정들을 재수행하며, 이러한 과정들은 미리 설정된 추론주기 반복 수행될 수 있다.
이러한 본 발명에 따르면, 종래의 시간만 반영하는 스펙트럼 자원관리와는 달리, 주파수는 물론 공간 영역을 고려함으로써 기존사용자와의 상호 공존이 가능한 스펙트럼 자원관리가 가능하므로 유휴채널의 주파수 사용률을 높일 수 있는 것은 물론, 전파환경 및 주파수 이격을 고려한 전송 매개변수의 최적화를 수행할 수 있게 된다.
한편, 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 자원 재구성 방법을 도시한 도면, 도 15는 도 14의 무선 자원 재구성 방법을 구체적으로 도시한 도면, 그리고, 도 16은 본 발명의 무선 자원 재구성 방법의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 자원 재구성 방법은 도 2 내지 도 13에 도시된 시스템(1)과 실질적으로 동일한 구성 상에서 진행되므로, 도 2 내지 도 13의 시스템(1)과 동일한 구성요소에 대해 동일한 도면 부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예에 따른 CR 네트워크 망을 구성하는 적어도 하나 이상의 CR 유저노드(100)와 CR 마스터 노드(200)를 포함하는 무선 자원 재구성 시스템에서의 간섭분석 기반의 무선 자원 재구성 방법은, 유휴 채널 확인 및 스펙트럼 핸드오프를 수행하는 단계(S110), 기존 사용자의 수 및 분포를 산출하는 단계(S120), 간섭환경 시나리오를 모델링하는 단계(S130), 간섭확률을 산출하는 단계(S140), 간섭보호 기준의 충족여부를 판단하는 단계(S150) 및 전송전력을 제어하는 단계(S160)를 포함할 수 있다.
유휴 채널 확인 및 스펙트럼 핸드오프를 수행하는 단계(S110)에서는, CR 유저노드(100)에서, CR 마스터 노드(200)로부터 수신하는 백업 채널 목록에서 선순위 채널의 스펙트럼을 센싱하여 유휴 채널인지 확인하고, 유휴 채널이 아니면 차순위 채널로 변경하여 스펙트럼 핸드오프를 수행할 수 있다.
그리고 기존 사용자의 수 및 분포를 산출하는 단계(S120)에서는 스펙트럼 핸드오프를 수행하는 단계(S110)에서 유휴 채널을 확인하면, CR 유저노드(100)에서, 각 채널을 일정시간 간격으로 구획한 타임슬롯(time slot)별로 산출된 채널 이용 상태정보에 기초하여 공간 영역 상에 존재하는 기존 사용자의 수와 분포를 산출할 수 있다.
또한 간섭환경 시나리오를 모델링하는 단계(S130)에서는 CR 유저노드(100)에서, 공간 영역 상에 존재하는 기존 사용자의 수와 분포에 기초하여 피간섭 송신기(Wanted Transmitter), 피간섭 수신기(Victim Receiver) 및 간섭 송신기(Interfering Transmitter)를 포함하는 간섭환경 시나리오를 모델링할 수 있다.
이러한 간섭환경 시나리오를 모델링하는 단계(S130)에서는, 피간섭 송신기(Wanted Transmitter), 피간섭 수신기(Victim Receiver) 및 간섭 송신기(Interfering Transmitter)에 대한 매개변수와 특정 거리 및 위치, 지형, 지물 중 적어도 하나를 포함하는 무선 자원에 따른 전파 손실 모델을 정의할 수 있다.
간섭확률을 산출하는 단계(S140)에서는 CR 유저노드(100)에서, 모델링된 간섭환경 시나리오를 기초로 피간섭 수신기(Victim Receiver)가 수신하는 수신전력을 산출하고, 산출된 수신전력에 기초하여 간섭확률을 산출할 수 있다.
간섭확률을 산출하는 단계(S140)에서 산출되는 수신전력은, 피간섭 송신기(Wanted Transmitter)로부터 피간섭 수신기(Victim Receiver)로 유입되는 수신전력인 dRSS(desired Received Signal Strength)와 간섭 송신기(Interfering Transmitter)로부터 피간섭 수신기(Victim Receiver)로 유입되는 수신전력인 iRSS(interfered Received Signal Strength)을 포함할 수 있다.
여기서 간섭환경 시나리오를 모델링하는 단계(S130) 및 간섭확률을 산출하는 단계(S140)는 몬테카를로 알고리즘에 기반하여 수행될 수 있다.
그리고 간섭보호 기준의 충족여부를 판단하는 단계(S150)에서는 CR 유저노드(100)에서, 간섭확률을 입력값으로 사용하여 피간섭 수신기(Victim Receiver)가 수신하는 수신전력이 미리 설정되는 간섭보호 기준을 충족하는지 판단할 수 있다.
이후 전송전력을 제어하는 단계(S160)에서는 CR 유저노드(100)에서, 간섭보호 기준의 충족여부에 기초하여 전송전력을 제어할 수 있다.
이러한 전송전력을 제어하는 단계(S160)는, 간섭보호 기준을 충족하지 않으면, CR 유저노드(100)에서 상기 모델링된 간섭환경 시나리오에 포함되는 무선 자원을 재구성하기 위한 매개변수를 결정하고, CR 유저노드(100)에서, 결정된 매개변수에 기초하여 간섭보호 기준을 충족할 수 있는 전송전력을 산출하며, CR 유저노드(100)에서, 산출된 전송전력을 유지할 수 있다.
이때 무선 자원을 재구성하기 위한 매개변수를 결정하는 단계는 유전자 알고리즘에 기반하여 수행될 수 있다.
CR 유저노드(100)에서, 산출된 전송전력을 유지하는 단계(S160) 이후에 간섭확률을 산출하는 단계(S140), 간섭보호 기준을 충족하는지 판단하는 단계(S150) 및 전송전력을 제어하는 단계(S160)를 미리 설정된 주기동안 반복수행할 수 있다.
이때 산출된 전송전력을 유지하는 단계(S160) 이후에 간섭확률을 산출하는 단계(S140) 및 간섭보호 기준을 충족하는지 판단하는 단계(S150)를 재수행한 결과, 간섭보호 기준을 충족하지 않으면, CR 유저노드(100)에서, 스펙트럼 핸드오프를 수행하는 단계(S110)부터 재수행할 수 있다. 이러한 본 발명의 무선 자원 재구성 방법에 대한 보다 구체적인 흐름은 도 15에 도시된 바와 같으며, 도면을 통해 충분히 유추가능한 바 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 16은, 스펙트럼 자원관리의 성능을 평가하기 위해 백업 채널 목록을 기반으로 핸드오프 동작 시 본 발명의 최적화 적용 여부에 따라 스펙트럼 자원 관리 기법의 성능을 비교한 결과이다. 도면을 참고하면, 그래프에서 Non optimization에 해당하는 부분은 총 46개의 유휴 채널에서 최대 전송전력(12.6dBm)으로 업링크를 수행하는 IoT 장치가 255개 있을 때 간섭으로 인해 기존 사용자와 인접한 18개의 유휴 채널 사용이 제한됨을 알 수 있다.
반면 본 발명에서와 같이 간섭에 의해 사용지 제한된 18개의 유휴 채널에서 간섭확률 5% 미만의 기준을 만족하도록 간섭 송신기의 송신 전력을 최적화하는 경우, optimization에 해당하는 부분과 같이 원하지 않는 방출 마스크(방사 구성성분)로 인한 주파수 분리에 따라 기존 사용자와 공존할 수 있는 전송 전력이 가장 가까운 채널에 약 5dBm, 두 번째 인접 채널에서 10dBm임을 나타낸다.
또한 트래픽 환경당 500개의 이력 데이터를 이용하여 도 16에서와 같이 시간대별로 최적화 적용 여부에 따른 평균 스펙트럼 효율을 확인한 결과, 최적화를 적용하면 간섭에 의해 사용이 제한된 유휴 채널을 사용함으로써 스펙트럼 효율이 향상되었음을 확인하였다.
이와 같은 본 발명의 무선 자원 재구성 방법은 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD 와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상에서는 본 발명의 다양한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100 : CR 유저 노드 110 : 통신부
120 : 저장부 130 : 제어부
131 : 스펙트럼 센싱부 133 : 스펙트럼 핸드오프 수행부
135 : 최적화부 200 : CR 마스터노드
120 : 저장부 130 : 제어부
131 : 스펙트럼 센싱부 133 : 스펙트럼 핸드오프 수행부
135 : 최적화부 200 : CR 마스터노드
Claims (16)
- CR 네트워크 망을 구성하는 적어도 하나 이상의 CR 유저노드에서의 간섭분석 기반의 무선 자원 재구성 방법으로서,
상기 CR 유저노드와 함께 상기 CR 네트워크 망을 구성하는 CR 마스터노드로부터 수신하는 백업 채널 목록에서 선순위 채널의 스펙트럼을 센싱하여 유휴 채널인지 확인하고, 상기 선순위 채널이 상기 유휴 채널이면 해당 채널을 유지하고, 상기 유휴 채널이 아니면 차순위 채널로 변경하여 스펙트럼 핸드오프를 수행하는 단계;
각 채널을 일정시간 간격으로 구획한 타임슬롯(time slot)별로 산출된 채널 이용 상태정보에 기초하여 공간 영역 상에 존재하는 기존 사용자의 수와 분포를 산출하는 단계;
상기 공간 영역 상에 존재하는 기존 사용자의 수와 분포에 기초하여 간섭환경 시나리오를 모델링하는 단계;
모델링된 간섭환경 시나리오를 기초로 상기 유휴 채널과 인접한 채널 및 위치에 존재하는 기존 사용자에게 간섭영향을 미칠 확률인 간섭확률을 산출하는 단계;
상기 간섭확률을 기초로 상기 기존 사용자가 수신하는 수신전력이 미리 설정되는 간섭보호 기준을 충족하는지 판단하는 단계; 및
상기 간섭보호 기준의 충족여부에 기초하여 전송전력을 제어하는 단계를 포함하고,
상기 전송전력을 제어하는 단계는,
상기 간섭보호 기준을 충족하지 않으면, 상기 모델링된 간섭환경 시나리오에 포함되는 무선 자원을 재구성하기 위한 매개변수를 결정하는 단계;
결정된 매개변수에 기초하여 상기 간섭보호 기준을 충족할 수 있는 전송전력을 산출하는 단계; 및
산출된 전송전력을 유지하는 단계를 포함하며,
상기 산출된 전송전력을 유지하는 단계 이후에 상기 간섭확률을 산출하는 단계 및 상기 간섭보호 기준을 충족하는지 판단하는 단계를 재수행한 결과, 상기 간섭보호 기준을 충족하지 않으면,
상기 스펙트럼 핸드오프를 수행하는 단계부터 재수행하는 무선 자원 재구성 방법. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 산출된 전송전력을 유지하는 단계 이후에 상기 간섭확률을 산출하는 단계, 상기 간섭보호 기준을 충족하는지 판단하는 단계 및 상기 전송전력을 제어하는 단계를 미리 설정된 주기동안 반복수행하는 것을 특징으로 하는 무선 자원 재구성 방법. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 무선 자원을 재구성하기 위한 매개변수를 결정하는 단계는 유전자 알고리즘에 기반하여 수행되는 것을 특징으로 하는 무선 자원 재구성 방법. - 제1항에 있어서,
상기 간섭환경 시나리오에는,
간섭 송신기, 상기 간섭 송신기에 의해 간섭영향을 받는 상기 기존 사용자에 대응되는 피간섭 수신기 및 상기 피간섭 수신기로 전력을 전송하는 피간섭 송신기가 포함되고,
상기 간섭환경 시나리오를 모델링하는 단계에서는,
상기 피간섭 송신기, 피간섭 수신기 및 간섭 송신기에 대한 매개변수와 특정 거리 및 위치, 지형, 지물 중 적어도 하나를 포함하는 무선 자원에 따른 전파 손실 모델을 정의하는 것을 특징으로 하는 무선 자원 재구성 방법. - 제6항에 있어서,
상기 간섭확률을 산출하는 단계에서는,
상기 피간섭 수신기가 수신하는 수신전력을 산출하고, 산출된 수신전력에 기초하여 상기 간섭확률을 산출하며,
상기 수신전력은,
상기 피간섭 송신기로부터 상기 피간섭 수신기로 유입되는 수신전력인 dRSS(desired Received Signal Strength)와 상기 간섭 송신기로부터 상기 피간섭 수신기로 유입되는 수신전력인 iRSS(interfered Received Signal Strength)을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 자원 재구성 방법. - 제1항에 있어서,
상기 간섭환경 시나리오를 모델링하는 단계, 상기 간섭확률을 산출하는 단계는 몬테카를로 알고리즘에 기반하여 수행되는 것을 특징으로 하는 무선 자원 재구성 방법. - CR 네트워크 망을 구성하는 적어도 하나 이상의 CR 유저노드와 CR 마스터노드를 포함하는 무선 자원 재구성 시스템으로서,
상기 CR 유저노드는,
상기 CR 마스터노드로부터 수신하는 백업 채널 목록에서 선순위 채널의 스펙트럼을 센싱하는 스펙트럼 센싱부;
상기 스펙트럼 센싱결과에 기초하여 유휴 채널인지 확인하고, 상기 선순위 채널이 상기 유휴 채널이면 해당 채널을 유지하고, 상기 유휴 채널이 아니면 차순위 채널로 변경하여 스펙트럼 핸드오프를 수행하는 스펙트럼 핸드오프 수행부;
각 채널을 일정시간 간격으로 구획한 타임슬롯(time slot)별로 산출된 채널 이용 상태정보에 기초하여 공간 영역 상에 존재하는 기존 사용자의 수와 분포를 산출하고, 상기 공간 영역 상에 존재하는 기존 사용자의 수와 분포에 기초하여 간섭환경 시나리오를 모델링하며, 모델링된 간섭환경 시나리오를 기초로 상기 유휴 채널과 인접한 채널 및 위치에 존재하는 기존 사용자에게 간섭영향을 미칠 확률인 간섭확률을 산출하는 간섭분석부; 및
상기 간섭확률을 기초로 상기 기존 사용자가 수신하는 수신전력이 미리 설정되는 간섭보호 기준을 충족하는지 판단하고, 상기 간섭보호 기준의 충족여부에 기초하여 전송전력을 제어하는 무선 자원 재구성부를 포함하고,
상기 무선 자원 재구성부는,
상기 간섭보호 기준을 충족하지 않으면, 상기 모델링된 간섭환경 시나리오에 포함되는 무선 자원을 재구성하기 위한 매개변수를 결정하고, 결정된 매개변수에 기초하여 상기 간섭보호 기준을 충족할 수 있는 전송전력을 산출하며, 산출된 전송전력을 유지하며,
상기 CR 유저노드는,
상기 무선 자원 재구성부에서 상기 산출된 전송전력을 유지하는 과정 이후에 상기 간섭분석부를 통해 상기 간섭확률을 산출하는 과정 및 상기 간섭보호 기준을 충족하는지 판단하는 과정을 재수행한 결과 상기 간섭보호 기준을 충족하지 않으면,
상기 스펙트럼 핸드오프 수행부에서 상기 스펙트럼 핸드오프를 수행하는 과정부터 재수행하도록 하는 무선 자원 재구성 시스템. - 삭제
- 제9항에 있어서,
상기 CR 유저노드는,
상기 무선 자원 재구성부를 통해 상기 산출된 전송전력을 유지하도록 한 이후에 상기 간섭분석부를 통해 상기 간섭확률을 산출하고, 상기 간섭환경 시나리오에 포함되는 피간섭 수신기가 수신하는 수신전력이 상기 간섭보호 기준을 충족하는지 판단하고, 상기 간섭보호 기준의 충족여부에 기초하여 전송전력을 제어하는 과정이 미리 설정된 주기동안 반복수행되도록 하는 것을 특징으로 하는 무선 자원 재구성 시스템. - 삭제
- 삭제
- 제9항에 있어서,
상기 무선 자원 재구성부는,
상기 무선 자원을 재구성하기 위한 매개변수를 결정하기 위해 유전자 알고리즘을 사용하는 것을 특징으로 하는 무선 자원 재구성 시스템. - 제9항에 있어서,
상기 간섭환경 시나리오에는,
간섭 송신기, 상기 간섭 송신기에 의해 간섭영향을 받는 상기 기존 사용자에 대응되는 피간섭 수신기 및 상기 피간섭 수신기로 전력을 전송하는 피간섭 송신기가 포함되고,
상기 간섭분석부에서의 상기 간섭환경 시나리오의 모델링은,
상기 피간섭 송신기, 피간섭 수신기 및 간섭 송신기에 대한 매개변수와 특정 거리 및 위치, 지형, 지물 중 적어도 하나를 포함하는 무선 자원에 따른 전파 손실 모델을 정의하는 것을 특징으로 하는 무선 자원 재구성 시스템. - 제15항에 있어서,
상기 간섭분석부는,
상기 피간섭 수신기가 수신하는 수신전력을 산출하고, 산출된 수신전력에 기초하여 상기 간섭확률을 산출하며,
상기 수신전력은,
상기 피간섭 송신기로부터 상기 피간섭 수신기로 유입되는 수신전력인 dRSS(desired Received Signal Strength)와 상기 간섭 송신기로부터 상기 피간섭 수신기로 유입되는 수신전력인 iRSS(interfered Received Signal Strength)을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 자원 재구성 시스템.
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