KR102685648B1

KR102685648B1 - 할당 우선 순위 설정 알고리즘 및 채널 결정 알고리즘을 이용한 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 시스템 및 설계 방법

Info

Publication number: KR102685648B1
Application number: KR1020220162994A
Authority: KR
Inventors: 윤창호; 최영철; 조아라
Original assignee: 한국해양과학기술원
Filing date: 2022-11-29
Publication date: 2024-07-16

Abstract

본 발명의 목적은 센싱 정보를 수집하고, 수집된 센싱 정보에 기반하여 인지 사용자의 스펙트럼을 결정 및 할당하여 스펙트럼 효율과 공평성을 향상시키는 할당 우선 순위 설정 알고리즘 및 채널 결정 알고리즘을 이용한 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 시스템 및 설계 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 시스템은, 수중 음파 환경으로부터 정보를 수집하고 센싱하는 스펙트럼 센싱부를 갖는 인지 사용자; 및 상기 스펙트럼 센싱부의 스펙트럼 센싱의 결과를 사용하여 인지 사용자가 사용할 스펙트럼을 결정하고 할당하는 스펙트럼 결정부와, 상기 인지 사용자가 사용하도록 결정된 스펙트럼을 사용하여 실제 정보를 송수신하는 스펙트럼 공유부를 갖는 중앙 제어국;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

할당 우선 순위 설정 알고리즘 및 채널 결정 알고리즘을 이용한 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 시스템 및 설계 방법{SYSTEM AND METHOD FOR DESIGNING UNDERWATER COGNITIVE RADIO COMMUNICATIONS SHARING SPECTRUM USING ALGORISM FOR SETTING ALLOCATION PRIORITY AND ALGORISM FOR DETERMINING CHANNEL}

본 발명은 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 시스템 및 설계 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 할당 우선 순위 설정 알고리즘 및 채널 결정 알고리즘을 이용하여 인지 사용자(Cognitive User)의 수중 인지 무선 통신 스펙트럼을 결정하기 위한 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 시스템 및 설계 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 수중 인지 무선 통신(Underwater Cognitive Radio Communications) 또는 수중 인지 무선 네크워크(Underwater Cognitive Radio Networks)에서 스펙트럼을 결정하고 공유하는 과정은 수중에서 다양한 응용 분야를 지원하기 위한 IoUT(Internet of Underwater Things)에서 매우 중요하다.

최근까지 수중이 아닌 지상 환경에서 인지 무선 통신이나 인지 무선 네트워크 기술은 상당히 많은 기술이 공개되어 있고, 이러한 기술은 다양한 분야에서 응용되고 있다.

하지만, 수중 환경에서는 지상에서 사용하는 무선 주파수(Radio Frequency) 대역보다 상대적으로 매우 좁은 주파수 대역을 가지는 음파 대역(Acoustic Frequency Band)을 사용하여 통신을 하며, 이미 수중 포유류와 같은 자연적인 간섭 뿐만 아니라 기존에 사용하던 많은 수중 통신 시스템들이 이 대역을 사용하고 있다.

따라서, 좁은 음파 대역을 사용하여 다양한 수중 통신 시스템이 공존하기 위해서는 인지 무선 통신이나 인지 무선 네트워크 기술을 수중 환경에서도 적용하는 것이 필수적이다.

또한, 수중 음파 대역의 통신 환경은 지상 통신 환경과 다른 부분들이 많기 때문에 해당 요소들을 고려하여 수중 인지 무선 통신이나 수중 인지 무선 네트워크를 설계해야 한다.

수중 통신 환경은 음파 대역을 사용하는 자연적인 시스템(어류, 포유류 등 바다 생물)과 인공적인 시스템이 공존하고 대역이 넓지 않아 스펙트럼이 상당히 포화 상태이다.

스펙트럼이 과밀한 상태이지만 시간과 공간 상으로 보면 스펙트럼이 사용 요율은 낮다.

따라서, 스펙트럼을 효율적으로 사용하기 위해서는 주변 환경을 인지하여 스펙트럼을 효율적으로 사용할 수 있는 인지 무선 기반의 스펙트럼 공유 방식이 매우 효과적이고 중요하다.

하지만, 지상의 인지 무선과는 달리 수중 통신 환경은 수중 채널 상태와 음파 대역 특성 때문에 해결해야 할 어려운 문제들이 많이 있다.

따라서, 수중 인지 통신을 기반으로 스펙트럼 공유 방식을 설계하기 위해서는 지상의 인지 무선 기술 이외에도 수중 채널 환경과 음파 대역을 사용하는 어류나 포유류 등을 보호하는 친환경적 요소 등 고려해야 할 사항이 많고, 이 요소들을 반영해야 한다.

특히, 수중에 살아가는 어류나 포유류가 음파 대역을 사용하기 때문에 이것들을 인지 무선의 주 사용자(Primary User)로 설정하여 우선적으로 보호하면서 사용하지 않는 대역을 시간과 공간적으로 확인하면서 사용하는 방식을 설계해야 한다.

또한, 수중 포유류뿐만 아니라 어류나 무척추 동물들도 포유류가 사용하는 주파수보다 좀 더 낮은 주파수를 사용하면서 수중 음파 대역 통신 시스템과 대역을 공유하기 때문에 함께 고려하여 수중 인지 시스템을 설계해야 할 필요성이 요구되고 있다.

국내 등록특허공보 제10-2041432호

상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 센싱 정보를 수집하고, 수집된 센싱 정보에 기반하여 인지 사용자의 스펙트럼을 결정 및 할당하여 스펙트럼 효율과 공평성을 향상시키는 할당 우선 순위 설정 알고리즘 및 채널 결정 알고리즘을 이용한 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 시스템 및 설계 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 시스템은, 수중 음파 환경으로부터 정보를 수집하고 센싱하는 스펙트럼 센싱부를 갖는 인지 사용자; 및 상기 스펙트럼 센싱부의 스펙트럼 센싱의 결과를 사용하여 인지 사용자가 사용할 스펙트럼을 결정하고 할당하는 스펙트럼 결정부와, 상기 인지 사용자가 사용하도록 결정된 스펙트럼을 사용하여 실제 정보를 송수신하는 스펙트럼 공유부를 갖는 중앙 제어국;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 시스템에서, 상기 스펙트럼 공유부는, 주 사용자와 다른 인지 사용자에게 간섭을 주지 않도록 동적 채널 변경을 수행하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 시스템에서, 상기 스펙트럼의 할당은 상기 중앙 제어국이 상기 인지 사용자로부터 제어 채널에서 수신한 정보들을 반영하여 상기 인지 사용자에게 상기 스펙트럼을 결정하여 할당하되, 네트워크 수율과 상기 인지 사용자 사이의 공평성을 성능 파라미터로 설정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 시스템에서, 상기 중앙 제어국은, 상기 스펙트럼의 결정 알고리즘을 이용하여 상기 인지 사용자의 스펙트럼을 결정하며, 상기 결정 알고리즘은 할당 우선 순위 설정 알고리즘과, 채널 결정 알고리즘을 이용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 시스템에서, 상기 결정 알고리즘은, 채널 상태 정보와, QoS(Quality of Service) 정보를 입력받고, 채널별 할당된 인지 사용자의 인덱스 집합을 출력하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 시스템에서, 상기 할당 우선 순위 설정 알고리즘은, 채널 상태 정보와, QoS 정보를 기반으로 인지 사용자에 채널을 할당하는 순서를 결정하며, 상기 채널이 모두 할당되거나 채널을 할당받을 노드가 없을 때까지 하기 수식 1을 반복 수행하는 것을 특징으로 한다.

[수식 1]

- 여기서, 는 인지 사용자의 인덱스 집합이고, 는 가용 데이터 채널 수임 -

또한, 본 발명에 따른 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 시스템은, 상기 QoS 정보에 따른 요구 채널의 수가 크거나 가용 채널의 수가 적은 인지 사용자에게 채널을 우선 할당하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 시스템에서, 상기 채널 결정 알고리즘은, 할당 우선 순위대로 인지 사용자에게 채널을 할당하며, 가용한 채널이 존재하고, 존재하는 채널을 할당받을 인지 사용자가 존재할 때까지 수행되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 시스템에서, 상기 채널 결정 알고리즘이 수행 중, 중에서 적어도 하나의 값이 0이 되면 상기 채널 결정 알고리즘이 종료되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 시스템에서, 상기 채널 결정 알고리즘이 완료시에도 의 두 값이 모두 1보다 클 경우 상기 할당 우선 순위 설정 알고리즘이 수행되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 방법은, 인지 사용자의 스펙트럼 센싱부에 의해, 수중 음파 환경으로부터 정보를 수집하고 센싱하는 단계; 중앙 제어국의 스펙트럼 결정부에 의해, 상기 스펙트럼 센싱부의 스펙트럼 센싱의 결과를 사용하여 인지 사용자가 사용할 스펙트럼을 결정하고 할당하는 단계; 및 상기 중앙 제어국의 스펙트럼 공유부에 의해, 상기 인지 사용자가 사용하도록 결정된 스펙트럼을 사용하여 실제 정보를 송수신하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 방법에서, 상기 중앙 제어국은, 상기 스펙트럼의 결정 알고리즘을 이용하여 상기 인지 사용자의 스펙트럼을 결정하며, 상기 결정 알고리즘은 할당 우선 순위 설정 알고리즘과, 채널 결정 알고리즘을 이용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 방법에서, 상기 할당 우선 순위 설정 알고리즘은, 채널 상태 정보와, QoS 정보를 기반으로 인지 사용자에 채널을 할당하는 순서를 결정하며, 상기 채널이 모두 할당되거나 채널을 할당받을 노드가 없을 때까지 하기 수식 1을 반복 수행하는 것을 특징으로 한다.

[수식 1]

또한, 본 발명에 따른 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 방법에서, 상기 채널 결정 알고리즘은, 할당 우선 순위대로 인지 사용자에게 채널을 할당하며, 가용한 채널이 존재하고, 존재하는 채널을 할당받을 인지 사용자가 존재할 때까지 수행되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 방법에서, 상기 채널 결정 알고리즘이 수행 중, 중에서 적어도 하나의 값이 0이 되면 상기 채널 결정 알고리즘이 종료되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 방법에서, 상기 채널 결정 알고리즘이 완료시에도 의 두 값이 모두 1보다 클 경우 상기 할당 우선 순위 설정 알고리즘이 수행되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 시스템은 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 방법에 의해 수행된다.

기타 실시 예의 구체적인 사항은 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 및 첨부 "도면"에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 각종 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 각 실시 예의 구성만으로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로도 구현될 수도 있으며, 단지 본 명세서에서 개시한 각각의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐임을 알아야 한다.

본 발명에 의하면, 센싱 정보와, QoS(Quality of Service)와, 채널 할당율을 고려한 채널 결정을 기반으로 경험적(heuristic)으로 인지 사용자의 스펙트럼을 결정하여 스펙트럼 효율과 공평성을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 수중 인지 무선 통신 기반 스펙트럼 공유 프레임 워크를 나타내는 플로우 차트.
도 2는 스펙트럼 공유 시나리오를 나타내는 도면.
도 3은 스펙트럼 공유 프로세스 상태 전이도를 나타내는 도면.
도 4는 수중 음파 통신을 위한 가용 대역, 주파수, 채널을 나타내는 그래프.
도 5는 수중 인지 통신을 위한 프레임, SSF, TSF, 센싱 구간, 비센싱 구간 설명도를 나타내는 그래프.
도 6은 특정 채널에 대한 인지 사용자의 가용 여부 설명도를 나타내는 그래프.
도 7은 스펙트럼 할당을 나타내는 흐름도.
도 8은 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 방법의 전체 흐름을 나타내는 흐름도.

본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.

즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.

본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.

더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"라고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있고, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결하기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있으며, 이 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.

반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.

마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 본 명세서에서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 사용된다면, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 하며, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.

또한, 본 명세서에서는 각 도면의 각 구성 요소에 대해서 그 도면 부호를 명기함에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 이 구성 요소가 비록 다른 도면에 표시되더라도 동일한 도면 부호를 가지고 있도록, 즉 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지시하고 있다.

본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.

또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대해 상세한 설명은 생략될 수도 있다.

이하, 본 발명의 실시 예에 대해 관련 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 수중 인지 무선 통신 기반 스펙트럼 공유 프레임 워크를 나타내는 플로우 차트이다.

본 발명에 따른 할당 우선 순위 설정 알고리즘 및 채널 결정 알고리즘을 이용한 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 시스템은 인지 사용자(100)와, 중앙 제어국(200)을 포함한다.

여기서, 인지 사용자(100)는 수중 음파 환경(40)으로부터 정보를 수집하고 센싱하는 스펙트럼 센싱부(10)를 포함한다.

중앙 제어국(200)은 스펙트럼 결정부(21)와, 스펙트럼 공유부(30)를 포함한다.

스펙트럼 결정부(21)는 스펙트럼 센싱부(10)의 스펙트럼 센싱의 결과를 사용하여 인지 사용자(100)가 사용할 스펙트럼을 결정하고 할당한다.

스펙트럼 공유부(30)는 인지 사용자(100)가 사용하도록 결정된 스펙트럼을 사용하여 실제 정보를 송수신한다.

좀 더 상세하게는, 도 1을 참조하면 수중 인지 무선 통신 기반 네트워크는 크게 스펙트럼 센싱부(Spectrum Sensing; 10), 스펙트럼 관리부(Spectrum Management; 20), 스펙트럼 공유부(Spectrum Sharing; 30)를 포함한다.

스펙트럼 센싱부(10)는 수중 음파 환경(Underwater Acoustic Environment; 40)으로부터 정보를 수집하고 센싱하여 인지 사용자(100)들이 사용할 스펙트럼을 결정하기 위한 기본 정보를 제공한다.

스펙트럼 관리부(20)는 스펙트럼 결정부(Spectrum Decision; 21)와, 스펙트럼 센싱 전략부(Spectrum Sensing Strategy; 22)를 포함한다.

여기서, 스펙트럼 결정부(21)에서는 스펙트럼 센싱의 결과를 사용하여 인지 사용자(100)들이 사용할 스펙트럼을 결정한다.

스펙트럼 센싱 전략부(22)에서는 스펙트럼 센싱을 효율적이고 효과적으로 하기 위한 방법을 결정하고 보완한다.

스펙트럼 공유부(30)는 인지 사용자(100)들이 사용하도록 결정된 스펙트럼을 사용하여 실제 정보를 송수신하며, 이 과정에서 특히 주 사용자와, 다른 인지 사용자(100)들에게 간섭을 주지 않도록 동적 채널 변경을 수행한다.

즉, 스펙트럼 공유부(30)는 주 사용자와 다른 인지 사용자(100)에게 간섭을 주지 않도록 동적 채널 변경을 수행한다.

- 스펙트럼 센싱부(10) -

스펙트럼 센싱부(10)에서는 수중 음파 환경(40)에서 미리 정해진 주파수 대역에 대하여 주 사용자와, 인지 사용자(100)들의 사용 여부 및 신호 세기 등을 센싱하고 측정하여, 인지 사용자(100)들이 사용할 스펙트럼을 결정할 수 있는 정보를 수집한다.

특히, 주 사용자가 사용 중인 주파수 대역과, 현재 사용되지 않고 있는 아이들(Idle) 상태인 주파수 대역 정보를 센싱한다.

스펙트럼 센싱은 주파수, 시간, 위치 또는 공간에 대하여 수행되고, 통신 방식에 따라 코드 영역까지 포함될 수 있다.

일반적으로 스펙트럼 센싱은 다음과 같은 네 가지 방식의 카테고리로 분류될 수 있다.

첫째, 에너지 감지 기반 방식(Energy Detection-based Approach) : 타겟(target) 스펙트럼의 일정 시간 동안 누적된 수신 전력을 기반으로 센싱한다.

둘째, 전력 스펙트럼 추정 기반 방식(Power Spectrum Estimation-based Approach) : 특정 알고리즘을 사용하여 시간과 주파수 영역의 전력 스펙트럼 밀도(Power Spectrum Density)를 계산하여 센싱한다.

셋째, 파형 기반 방식(Waveform-based Approach) : 미리 설정된 신호의 패턴과 수신된 신호의 패턴을 비교하면서 주 사용자의 여부를 센싱한다.

넷째, 순환 적정성 기반 전송 방식(Cyclostationarity-based Sending Approach) : 수신된 신호의 스펙트럼 상관 함수(Spectrum Correlation Function)를 계산하여 주 사용자를 센싱한다.

다음, 수중 환경에서 자연적인 신호와 인공적인 신호의 센싱은 다음과 같다.

수중 환경에서 자연적인 신호와 인공적인 주 사용자 신호를 구분하는 것은 매우 중요하다.

특히, 자연 생태계(수중 포유류나 어류, 무척추 동물 등)를 주 사용자로 간주하고 피해를 최소로 하기 위해서는 이 부분이 필수적이다.

인공적인 신호는 자연적 신호와 구별되는 특징을 가지고 있다.

인공적인 신호는 전송 범위(Transmission Ranges), 경계 기간(Guard Periods), 변조 방식(Modulation Schemes) 등으로 인한 특정한 패턴이 있는 반면, 자연적인 신호는 이런 특징이 없이 다양한 패턴을 가진다.

이런 인공적인 신호의 특징을 고려하여 인공적 신호를 머신 러닝이나 딥러닝을 사용하여 확인하고 구분할 수 있다.

자연 생태계의 신호에서도 수중 포유류와 어류 신호가 포함된다.

고래 같은 수중 포유류는 중간 주파수 대역을 물고기나 무척추 동물 등은 좀 더 낮은 주파수 대역을 사용한다.

- 스펙트럼 관리부(20) -

스펙트럼 관리부(20)는 매체 접근 제어 계층(MAC Layer : Media Access Control Layer)에 있는 스케줄링 부분을 포함하며 스펙트럼 센싱 정보를 기반으로 인지 사용자(100)들이 사용할 스펙트럼을 결정하고, 스펙트럼 센싱을 효과적으로 수행하기 위한 전체적인 동적 제어를 처리하는 부분이다.

- 스펙트럼 센싱 전략부(22) -

인지 사용자(100) 또는 스펙트럼 센싱을 하는 노드들의 시간, 주파수 영역에서 어떤 방식으로 센싱할 지를 결정한다.

많은 노드들이 스펙트럼 센싱을 효과적으로 수행하기 위한 주파수 간격, 시간 간격, 직렬 센싱(Serial Sensing), 병렬 센싱(Parallel Sensing) 등을 결정한다.

- 스펙트럼 결정부(21) -

주 사용자의 주파수 사용 상태, 시간, 현재 아이들 상태의 주파수, 인지 사용자(100)들의 QoS, 전송을 요구하는 인지 사용자(100) 수 등 많은 요소를 고려하여 스펙트럼을 결정하고 할당한다.

전체 처리량(Throughput)과 공평성(Fairness) 등을 고려하여 시스템의 성능이 최적이 될 수 있는 방향으로 스펙트럼을 결정한다.

채널 환경이나 주 사용자와, 인지 사용자(100) 상태와 같이 주어진 환경이 동일하더라도, 스펙트럼 결정은 시스템이 최적화하고자 하는 목표 성능에 따라 많이 달라질 수 있다.

다음 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유시 고려 사항은 다음과 같다.

우선, 수중 인지 무선 통신의 주 사용자와 인지 사용자(100)를 설정한다.

수중 음파는 ISM(Industry-Science-Medical) 대역 또는 와이파이와 같이 아무나 사용할 수 있는 오픈 스펙트럼이기 때문에 독점적인(exclusive) 사용 권한을 가진 사용자는 없다.

다양한 간섭원들(자연적, 인위적)이 존재하나, 현실적으로 이 간섭들에 대한 제어가 불가능하다.

수중 음파 통신을 사용하는 사용자들 입장에서는 이 간섭원들이 주 사용자처럼 작용한다.

즉, 모든 수중 음파 사용자들은 공존(Coexistence) 상태이다.

결과적으로, 충돌을 회피하여 통신의 안정성을 높이고 수율(Utilization)을 향상시키기 위해서는 수중 인지 통신 사용자는 모든 음파 대역에 대해 스스로를 인지 사용자(100)로 간주해야 한다.

즉, 주 사용자는 자연적, 인위적 간섭원들이고, 인지 사용자(100)는 수중 통신 사용자들이다.

수중 인지 무선 통신의 스펙트럼 공유 방향 설정은 다음과 같다.

우선, 시간과 주파수 영역 측면에서의 스펙트럼 공유 방식을 설명한다.

시간과 주파수 영역의 스펙트럼 자원을 공유하는 측면에서는 지상의 인지 무선 통신에서와 같이 인터위브(Interweave), 언더레이(Underlay), 오버레이(Overlay) 세 가지 방식을 고려할 수 있다.

각 방식에 대한 특징과 장단점은 다음과 같이 정리될 수 있다.

- 인터위브 방식 -

가장 현실적인 방법으로 수중 인지 통신에 적용 가능하다.

장점으로는 스펙트럼 센싱이 정확하면 비충돌을 보장할 수 있다.

단점으로는 주변에 간섭원들이 많이 존재할 때에는 가용 대역이 제한적이다.

이는 인지 사용자(100)의 스펙트럼의 사용 대기 시간을 증가시키고 네트워크 수율을 저하시킨다.

특히, 수중 음파 통신으로 사용하는 주파수 대역 자체가 협대역이므로 비중복 사용으로 인한 스펙트럼 효율성이 떨어진다.

- 언더레이 방식 -

자연적 간섭원들은 어느 정도의 간섭이 영향을 주는지 거의 파악이 불가하다.

특정 인위적 간섭원들과 같은 스펙트럼에서 공존은 가능하다.

따라서, 간섭 레벨을 알 수 있는 특정 인위적 간섭원들과 공존이 가능하며, 인지 사용자(100)가 이 간섭원들의 간섭 레벨을 사전에 알고 있야 한다.

그러나, 주변에 어떠한 간섭원이 있는지 알기 힘들어, 특정 인위적 간섭원들만 고려하는 경우 성능 보장이 안 되고 비효율적일 수 있다.

예를 들어, 주파수 제원이나 송신 전력이 알려진 소나 장비들의 존재는 파악할 수 있으나, 언제 얼마동안 주파수를 점유하는 가의 예측은 불가하다.

만약, 언더레이 방식이 적용되더라도 상당히 제한적인 경우에만 사용될 수 있다.

장점으로는 주 사용자와 인지 사용자(100)의 공존으로 인해 스펙트럼 이용 효율이 증가한다.

단점으로는 공존할 수 있는 간섭원들이 제한적이라 효용성이 낮다.

- 오버레이 방식 -

이 방법도 자연적 간섭원들의 메시지, 코드북 등을 알 수가 없으므로 공존이 어렵다.

언더레이 방식과 동일한 이유로 오버레이 방식도 제원 파악이 가능한 특정 인위적 간섭원들과 같은 스펙트럼에서 공존은 가능하다.

장점으로는, 전력 제어 없이 간섭원들과 동시에 신호를 송신할 수 있고, 이를 통해, 스펙트럼 이용 효율이 증가할 수 있다.

단점으로는, 공존할 수 있는 간섭원들이 제한적이며, 각 간섭원들에 대응하도록 메시지를 해석해야 하므로 인지 사용자(100)의 수신기 복잡도가 증가한다.

특히, 자연적 간섭원들의 메시지는 해석이 불가능하다.

따라서, 수중 인지 통신에서는 오픈 스펙트럼인 음파 대역을 사용하므로 지상 인지 통신과 달리 스펙트럼에 독점적인 권리를 가지는 주 사용자가 없으며, 스펙트럼 사용자들은 모두 인지 사용자(100) 입장에서 접근해야 한다.

자연적, 인위적 간섭원들은 주 사용자로 간주해야 한다.

자연적 간섭원들의 시스템 제원을 알 수 없어 같은 스펙트럼 대역에서 공존이 불가하다.

반면 시스템 제원을 알 수 있는 특정 인위적 간섭원들은 동일한 스펙트럼에서 공존이 가능하다.

특정 인위적 간섭원들은 공존 가능성이 있음에도 불구하고, 언더레이 방식, 오버레이 방식 모두 효용성이 떨어지고, 수신기의 복잡도를 높힐 수 있다.

따라서, 수중 인지 통신에서 시간과 주파수 이용 측면의 스펙트럼 공유는 인터위브 방식이 가장 현실적이다.

수중 음파 통신 사용자와 자연적, 인위적 간섭원들 모두 대역에 대한 권한이 없으므로 수평적인(horizontal) 스펙트럼 공유라 할 수 있다.

다음, 사용자 간의 협력 측면 스펙트럼 공유를 설명한다.

사용자 간의 협력을 통해 스펙트럼을 공유하는 측면에서는 지상의 인지 무선 통신에서와 같이 비협력(Non-cooperative) 방식과 협력(Cooperative) 방식을 고려할 수 있다.

- 협력 대상 -

주 사용자와, 인지 사용자(100) 간 협력 : 스펙트럼 이용을 위해 협력을 하려면 다양한 인위적, 자연적 간섭원들로부터 스펙트럼 이용 정보를 송수신해야 하는데, 수중 환경에서는 현실적으로 어렵다.

특히, 자연적 간섭원과 협력을 하는 것은 거의 불가능하다.

인지 사용자(100)와, 인지 사용자(100) 간 협력 : 동일한 통신 시스템을 사용하고 있는 인지 사용자(100) 간의 협력은 가능하다.

- 비협력 방식(Non-cooperative approach) -

인지 사용자(100)는 스스로 자신에게 가장 효율적인 스펙트럼을 선택/할당하여 사용한다.

장점으로는, 낮은 복잡도(협력을 위한 시그널링이 필요 없음), 스펙트럼 결정과 할당 시간을 단축시킬 수 있다.

단점으로는, 스펙트럼 센싱, 분석 및 결정의 정확성이 떨어져 인지 사용자(100) 간에 간섭이 발생할 가능성이 있고, 이로 인하여 통신 품질이 보장되지 않으며 결과적으로 스펙트럼 효율성이 감소할 수 있다.

- 협력 방식(Cooperative approach) -

네트워크 전체의 스펙트럼 효율을 향상시키기 위해 인지 사용자(100)들 간의 스펙트럼 센싱 정보를 공유하여 스펙트럼을 분석하고 결정하고 서로 해당 정보를 공유할 수 있다.

장점으로는, 스펙트럼 센싱, 분석 및 결정의 정확성이 증가로 스펙트럼 효율성을 향상시킬 수 있다.

단점으로는, 높은 복잡도(협력을 위한 시그널링이 필요), 스펙트럼 결정과 할당 시간이 길어질 가능성이 크다.

따라서, 수중 인지 통신에서는 주 사용자와, 인지 사용자(100) 간의 협력은 어렵다.

인지 사용자(100)들 간의 협력 또는 인지 사용자(100) 각자 비협력 방식으로 스펙트럼을 공유할 수 있다.

협력 대 비협력 방식은 목표 성능, 시스템 환경과 애플리케이션에 따라 선택적으로 결정될 수 있다.

다음, 네트워크 구조 측면 스펙트럼 공유 방식에 대해 설명한다.

네트워크 구조 관점에서 스펙트럼을 공유하는 것에 대해서는 지상의 인지 무선 통신에서와 같이 중앙형(Centralized) 방식과 분산형(Distributed) 방식을 고려할 수 있다.

- 중앙형 네트워크 구조 -

중앙 제어국(base station, cluster head 등)(200)이 수집된 다양한 정보와 QoS 등을 바탕으로 스펙트럼을 결정하고 할당한다.

중앙 집중식 스펙트럼 할당 프로토콜(Centralized spectrum allocation protocol), 중앙 집중식 채널 할당 메커니즘(centralized channel assignment mechanism)이 필요하다.

장점으로는, 중앙 제어국(200)이 다양한 정보와 높은 프로세싱 능력으로 비교적 정확하고 안정된 스펙트럼을 할당함으로써 전체적인 성능이 높아질 수 있다.

단점으로는 인지 사용자(100)들이 수집된 정보를 중앙 제어국(200)으로 전달하고, 중앙 제어국(200)에서 제어 정보를 인지 사용자(100)들로 전송하는 비교적 복잡한 제어 채널(Control Channel) 구조가 필요하다.

중앙 제어국(200)이 동작하지 않는 경우, 네트워크 전체가 동작하지 못 한다.

인지 사용자(100)가 스스로 스펙트럼을 결정하지 못하고, 중앙 노드의 제어를 받기 때문에 신호의 전달 지연 시간이 긴 수중 환경에서 전송 지연이 비교적 크다.

- 분산형 네트워크 구조 -

중앙 제어국(200)의 필요없이 인지 사용자(100) 각자가 자신의 스펙트럼을 결정한다.

분산 스펙트럼 액세스 프로토콜(Distributed spectrum access protocol)이 필요하다.

장점으로는, 인지 사용자(100)가 스스로 스펙트럼을 결정하기 때문에 전송 지연 시간이 짧아질 수 있다.

중앙 제어국(200)과 주고 받는 제어 시그널링이 적다.

단점으로는, 정확한 분산 스펙트럼 액세스 프로토콜이 필수적이다.

주변 환경에 대한 정확한 센싱과 분석이 되기 어렵기 때문에 주변 주 사용자나 인지 사용자(100)와의 스펙트럼 자원 충돌로 전체적인 전송 성능이 나빠질 수 있다.

특히, 노드 수가 많은 경우에는 성능이 매우 나빠질 가능성이 높다.

따라서, 두 네트워크 구조는 목표 성능, 시스템 환경, 노드 수, QoS 등과 애플리케이션에 따라 결정될 수 있다.

다음, 제어 신호(Control Signaling) 사용과 관련하여 설명한다.

하기 표 1은 네트워크 토폴로지, 협력 및 비협력 여부에 따른 제어 제어 채널의 수 및 가변성을 나타낸다.

네트워크 토폴로지, 협력 및 비협력 여부에 따라 제어 신호 사용 여부를 결정하고, 제어 채널의 수 및 가변성을 추후에 결정해야 한다.

[표 1]

다음, 스펙트럼 분석에 대해 설명한다.

- 수중 음파 대역의 이질성 -

현실적으로 수중에서 인위적, 자연적 간섭원들(즉, 주 사용자들)의 정확한 위치를 예측하기 어렵다.

인지 사용자(100)가 받을 수 있는 가장 정확하고 활용 가능한 정보는 현 위치에서의 주 사용자들이 보내는 신호의 세기이며, 이 신호 세기도 랜덤 프로세스(random process)에 가깝다.

즉, 지상의 오픈 스펙트럼 시스템처럼 가용한 대역이 시간과 공간에 따라 변하는 스펙트럼 이질성(Spectrum Heterogeneity)을 보인다.

그러나, 지상 오픈 스펙트럼과 달리 주 사용자의 메시지 및 정보를 스스로 확인하거나, 이러한 정보들을 제공해주는 중앙의 노드들이 부재하다.

따라서, 지상에 비해 수중에서 밴드별 스펙트럼의 가용성을 모델링하거나 분석하는 절차가 거의 불가능하다.

- 스펙트럼의 가용성(Spectrum Availability) 모델링 및 분석 -

주 사용자와의 충돌을 회피하기 위해 인지 사용자(100)가 사용 가능한 스펙트럼들을 확인시, 스펙트럼의 가용성을 온-오프(ON-OFF)로 모델링한다.

온-오프 기간(duration)을 얼마나 길게 정할 것인가 대한 설정 방법이 필요하다.

채널의 품질보다는 간섭원들의 출현 빈도와 현재 채널 상태의 유지 시간을 고려해야 한다.

스펙트럼 결정 및 송신 때까지 채널 상태가 고정인 경우에는, 현재 조건에서 최적(optimal) 또는 차선(sub-optimal) 스펙트럼을 설정할 수 있다.

이를 위해, 스펙트럼 분석, 결정, 할당에 소요되는 시간을 임계값으로 유지하고, 이를 기준으로 가용 스펙트럼의 지속성 여부를 판단해야 한다.

중앙 집중식 및 네트워크 전체(Centralized and network-wide), 협력 스펙트럼 공유(Collaborative spectrum sharing)가 좋다.

스펙트럼 결정 및 송신 전에 채널 상태가 변경되는 경우에는, 채널 상태가 임계값보다 크게 유지될 때까지, 즉, 어느 정도 가용 스펙트럼이 지속될 때까지, 스펙트럼 할당을 유보해야 한다.

또는 특별한 경우에는 간섭원들의 존재를 무시하고 전송. 즉, 전송에 문제가 발생할 가능성을 염두하고 전송한다.

분산(Distributed), 비협력 스펙트럼 공유(non-collaborative spectrum sharing)가 좋다.

다음, 수중 인지 무선 통신을 기반으로 하는 스펙트럼 공유 방식을 복수의 시스템 환경 조건들을 가정하여 설계한다.

- 스펙트럼 공유 방식 설정을 위한 고려 사항 -

스펙트럼 공유 방식을 설계하기 위해 고려해야 할 사항들은 하기 표 2와 같다.

[표 2]

표 2에 나타낸 4가지 사항들을 고려하여 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 방식을 설계한다.

네트워크 구조 측면의 중앙형(Centralized)을 살펴보면, 네트워크 중앙에 기지국 또는 클러스터-헤드(Cluster-head) 형태의 중앙 노드를 두고, 이 중앙 노드가 주 사용자가 사용하지 않는 사용 가능한 시간과 주파수 영역의 스펙트럼 자원을 인지 사용자(100)들의 QoS를 고려하여 인지 사용자(100)들에게 할당한다.

노드 간 협력 측면의 협력(Cooperative)을 살펴보면, 인지 사용자(100)들이 센싱한 다양한 정보를 중앙 노드에 전송하고, 이 정보를 활용하는 형태의 협력이다.

공동 제어 채널(Common Control Channel)의 사용 측면을 살펴보면, 중앙 노드에 연결된 인지 사용자(100)들에게 할당된 스펙트럼 자원에 대한 정보를 제공할때 공동 제어 채널을 사용한다.

또한, 필요한 경우 인지 사용자(100)들에게 제어 명령을 전송할 때 공동 제어 채널을 사용한다.

무선 인터페이스(Radio Interface) 측면을 살펴보면, 중앙 노드에 연결된 인지 사용자(100)들은 하나의 무선 인터페이스 기술을 사용한다고 가정한다.

도 2는 스펙트럼 공유 시나리오를 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하여, 스펙트럼 공유 시나리오를 도출한다.

- 스펙트럼 공유 시나리오 도출 -

중앙형 네트워크 구조에서 하나의 중앙 제어국(중앙 제어국는 수중 기지국, 싱크 노드 등이 될 수 있음)(200)과 다수의 인지 사용자(100)들(수중 노드들)로 구성된다.

인지 사용자(100)들은 스펙트럼 공유를 위해 특정 제어 채널을 통해 자신이 센싱한 채널 상태 정보들을 송신하고, 중앙 제어국(200)은 이 정보를 이용하여 각 인지 사용자(100)들의 스펙트럼을 결정 및 할당한다.

이를 위해 다음과 같은 가정을 고려한다.

모든 인지 사용자(100)들은 인지 통신 기능이 가능한 수중 음파 통신 시스템이 장착된다.

즉, 해당 주파수 대역 전체를 센싱할 수 있어, 각 채널의 상태를 업데이트 할 수 있다.

또한, 할당받은 채널에 해당되는 송신 주파수로 변경이 가능하다.

인지 사용자(100)들은 센싱 기술을 이용하여 각 채널의 상태를 센싱한다.

중앙 제어국(200)과 인지 사용자(100)들은 원 홉(one-hop)으로 통신이 가능한 위치에 존재한다.

제어 채널은 하나 또는 다수일 수 있으며, 인지 사용자(100)들의 수, 네트워크 통신 환경에 따라 결정된다.

인지 사용자(100)들은 송신 모드가 아닐 때에는, 채널 센싱을 위해 수신 모드에 있어야 하며, 수신된 정보들은 제어 채널을 통해 중앙 제어국(200)에게 전송한다.

도 3은 스펙트럼 공유 프로세스 상태 전이도를 나타내는 도면이다.

도 3을 참조하면, 스펙트럼 공유는 다음과 같이 크게 세 개의 프로세스들로 구성되어 있다.

이러한 세 프로세스들은 순차적으로 진행될 수 있지만, 병렬적으로 진행될 수도 있다.

- 센싱 정보 수집

- 스펙트럼 할당

- 스펙트럼 사용

본 발명에 따른 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 시스템은 인지 사용자(100)와, 중앙 제어국(200)을 포함한다.

인지 사용자(100)는 스펙트럼의 공유를 위해, 센싱한 채널 상태 정보를 특정 제어 채널을 통해 송신한다.

중앙 제어국(200)은 인지 사용자(100)가 송신한 채널 상태 정보를 이용하여 인지 사용자(100)의 스펙트럼을 결정 및 할당한다.

- 센싱 정보 수집

센싱 정보 수집은 인지 사용자(100)들이 데이터 송수신을 위한 스펙트럼을 할당받기 위해, 제어 채널을 통해 인지 사용자(100)들이 중앙 제어국(200)에 센싱 정보를 제공하고, 중앙 제어국(200)이 이를 수신하는 과정이다.

이를 위해, 다음과 같은 시나리오를 고려한다.

인지 사용자(100)들은 주기적인 채널 상태 센싱을 통해 그 결과를 중앙 제어국(200)에게 전송한다.

이 때, 센싱 주기는 센싱 정보 전송 주기보다는 짧아야 한다.

이는 인지 사용자(100)가 중앙 제어국(200)에게 축적된 센싱 정보를 제공하기 위해서 이다.

센싱된 채널 상태 정보는 미리 설정된 제어 채널을 통해 전송된다.

인지 사용자(100)들은 정해진 채널 접속 방식에 따라 제어 채널을 접속한다.

채널 접속 방식은 예를 들어, TDMA 기반의 라운드-로빈(round-robin) 방식이거나 랜덤 억세스 방식일 수 있다.

채널 상태 정보는 해당 채널의 신호 세기, 신호의 지속 시간 등이 고려된다.

채널 상태 정보 이외에, 중앙 제어국(200)이 스펙트럼 결정을 할 때 반영할 수 있도록 인지 사용자(100) 자신의 QoS 정보(사용 시간, 데이터율 등)도 같이 전송할 수 있다.

- 스펙트럼 할당

스펙트럼 할당은 중앙 제어국(200)이 인지 사용자(100)들로부터 제어 채널에서 수신한 정보들을 반영하여, 인지 사용자(100)들에게 적합한 스펙트럼을 결정하여 할당하는 과정이다.

이를 위해, 다음과 같은 시나리오를 고려한다.

스펙트럼 결정 및 할당은 목표 성능을 향상시키는 방향으로 결정된다.

이를 위해, 최적화시킬 성능을 결정한다.

본 발명에서는 전체 네트워크의 수율과 인지 사용자(100)들 간의 공평성(fairness)을 성능 파라미터로 설정한다.

주어진 스펙트럼 결정 알고리즘을 이용하여 인지 사용자(100)들의 스펙트럼을 결정한다.

제어 채널을 통해 각 인지 사용자(100)들의 스펙트럼 할당 결과를 통보한다.

즉, 스펙트럼의 할당은 중앙 제어국(200)이 인지 사용자(100)로부터 제어 채널에서 수신한 정보들을 반영하여 인지 사용자(100)에게 스펙트럼을 결정하여 할당하되, 네트워크 수율과 인지 사용자(100) 사이의 공평성을 성능 파라미터로 설정한다.

- 스펙트럼 사용

스펙트럼 사용은 중앙 제어국(200)으로부터 할당받은 스펙트럼 및 스케줄링 정보를 사용하는 일련의 과정이다.

이를 위해, 다음과 같은 시나리오를 고려한다.

인지 사용자(100)들은 주어진 채널 억세스 방식을 이용하여, 자신이 할당받은 채널을 접속한다.

인지 사용자(100)들의 채널 억세스는 할당된 채널을 접속하는 방식으로, 네트워크 매체 접속 제어 프로토콜과 관계된다.

만약, 할당받은 채널이 더 이상 사용할 수 없는 상황이 발생하면(이동성 또는 새로운 간섭원들의 발생), 제어 채널을 통해 중앙 제어국(200)에게 새로운 채널을 요청한다.

만약, 프로세스들이 병렬적으로 진행되는 경우, 인지 사용자(100)들은 송신을 하지 않을 때에는 수신 모드에서 채널 상태 정보를 지속적으로 업데이트하며, 센싱 정보 전송 주기마다 채널 상태 정보를 전송한다.

- 스펙트럼 공유 설계 -

인지 사용자(100)들 간의 스펙트럼 공유를 위한 방법을 설계한다.

주어진 시나리오를 고려하여 센싱 정보를 수집하고, 인지 사용자(100)들의 채널을 결정하는 방법들을 구체적으로 기술한다.

- 채널 정의

수중 음파 가용 대역과 수중 음파 주파수 체계를 반영하여 채널을 설정하고, 각 채널에 해당되는 가용성 여부를 판단한다.

LTE 표준과 같이, 수중 음파 대역의 채널 번호를 수중 음향 주파수 채널 번호(UAFCN : Underwater Acoustic Frequency Channel Number)라고 할 때, UAFCN을 정의하기 위한 용어를 하기 표 3과 같이 정의한다.

[표 3]

상기 표 3의 파라미터들은 다음과 같이 정의한다.

중심 주파수, 채널 번호, 시스템 대역폭은 채널래스터로 표현한다.

중심 주파수는 이다.

채널 번호는 이다.

채널래스터 값에 따른 채널 번호의 범위와 중심 주파수의 벌위 설정의 예는 하기 표 4와 같이 정리된다.

[표 4]

시스템 대역폭은 주파수 그리드 내에 위치시키고, 중심 주파수를 기준으로 대칭적으로 시스템 대역폭을 할당하기 위해 시스템 대역폭은 채널래스터의 의 배수로 설정한다.

도 4는 수중 음파 통신을 위한 가용 대역, 주파수, 채널을 나타내는 그래프이다.

채널에 대한 정의는 하기 표 5와 같다.

[표 5]

- 프레임 정의

시간 영역 분할의 필요성은 다음과 같다.

주 사용자 활동의 무작위성(발생 시간, 발생 시점, 발생 주 사용자의 수)으로 주 사용자의 상태를 예측하기 어렵다.

한번의 센싱으로는 무작위적인 주 사용자의 활동에 대응할 수 없어, 반복적인 센싱이 필요하다.

인지 통신의 "선센싱 후전송"을 고려하면, 센싱과 전송의 루틴이 주기적으로 반복 수행되어야 한다.

도 5는 수중 인지 통신을 위한 프레임, SSF, TSF, 센싱 구간, 비센싱 구간 설명도를 나타내는 그래프이다.

- 시간 영역 분할

주기적으로 주 사용자 활동을 센싱하기 위한 영역을 프레임(Frame : T) 단위로 분할한다.

선센싱 후전송을 위해, 프레임은 센싱 서브 프레임(SSF : Sensing Sub-Frame)과, 전송 서브 프레임(TSF : Transmission Sub-Frame)으로 구성된다.

프레임 길이(T) 설정시 고려 사항은 다음과 같다.

SSF : 센싱 시간, 채널 접속, 센싱 정보 전송, 전파 지연

TSF : 채널 접속, 데이터 전송/재전송, 전파 지연

기타 : 가드 타임

센싱 시간(T _S ) 대 비센싱 시간(T _NS )은 다음과 같다.

센싱 시간 : 주 사용자의 활동 감지를 위해 유효 채널을 확인할 수 있는 시간이다.

길이에 따라 각 채널당 주 사용자 활동을 감지하는 정확성, 즉 센싱율의 차이가 발생할 수 있다.

비 센싱 시간 : 한 프레임에서 센싱 시간을 제외한 시간

센싱 시간과 비센싱 시간을 비율()로 설정한다.

주 사용자가 비센싱 시간 동안 특정 채널에서 발생할 경우, 인지 사용자(100)는 해당 주 사용자를 감지할 수 없고, 해당 채널에 데이터를 전송하면 충돌이 발생한다.

주 사용자의 활동은 무작위성을 가지므로, 충돌 확률이 감소하려면, 가급적 비센싱 시간(T _NS ) 대비 센싱 시간(T _S )의 비율()을 크게 하여 센싱율을 높여햐 한다.

즉, 수율, 채널 이용율을 향상시킨다.

그러나, 를 무작정 크게 하면, 데이터 전송보다 센싱으로만 소요되는 오버 헤드 및 에너지가 증가하고, 스펙트럼 이용율이 낮아질 수 있다.

에 따른 트레이드-오프(trade-off)를 고려하여, 적절한 의 설정이 필요하다.

도 6은 특정 채널에 대한 인지 사용자(100)의 가용 여부 설명도를 나타내는 그래프이다.

- 센싱 정보 분석(SIA : Sensing Information Analysis)

관련 파라미터는 다음과 같다.

: 인지 사용자(100) 가 번째 프레임, 채널 에서 감지한 주 사용자의 신호의 세기이다.

이면, 채널 는 주 사용자의 상태가 점유(Occupied)로 된다.

: 번째 프레임에서 인지 사용자(100) 의 채널 의 상태이다.

주 사용자가 전혀 발생하지 않아야 그 채널을 사용가능하므로, 이다.

인지 사용자(100)가 중앙 제어국(200)에게 전송할 정보는 다음과 같다.

채널별 상태 정보 은 양의 정수이다.

각 인지 사용자(100)들의 QoS 정보는 이고, 수신에 대한 응답 전송을 해야 하므로, 인지 사용자(100)는 자기가 보낼 것이 없어도 적어도 하나의 데이터 채널을 할당받아야 한다.

센싱 정보를 분석하여 중앙 제어국(200)이 도출한 정보는 인지 사용자(100) 에 대해 인 채널들의 인덱스()를 에 저장하고, 그 크기인 을 결정한다.

- 스펙트럼 할당(SA : Spectrum Allocation)

센싱 정보, QoS, 채널 할당율을 고려한 할당 우선 순위(User Priority)를 기반으로 경험적(heuristic)으로 인지 사용자(100)의 스펙트럼을 결정하여 스펙트럼 효율(efficiency)과 공평성(fairness)을 향상시킨다.

스펙트럼 결정은 다음과 같은 두 알고리즘을 적용하여 수행된다.

첫째, 할당 우선 순위 설정 알고리즘(ALG1 : Algorithm1)과, 둘째 채널 결정 알고리즘(ALG2 : Algorithm2) 이다.

즉, 중앙 제어국(200)은 스펙트럼의 결정 알고리즘을 이용하여 인지 사용자(100)의 스펙트럼을 결정하며, 결정 알고리즘은 할당 우선 순위 설정 알고리즘과, 채널 결정 알고리즘을 이용한다.

스펙트럼 결정 프로토콜 관련 파라미터는 다음과 같다.

초기값은,

인지 사용자(100)의 인덱스 집합 :

평균 채널 이용율 :

가용 데이터 채널의 수 :

인지 사용자(100)별 가용 채널의 집합 :

각 인지 사용자(100)별 할당된 채널의 수 :

채널별 할당된 인지 사용자(100)의 집합 : 이다.

도 7은 스펙트럼 할당을 나타내는 흐름도이다.

입력은,

채널 상태 정보 : 은 양의 정수이고,

QoS 정보 : 은 양의 정수이다.

출력은 채널별 할당된 인지 사용자(100)의 인덱스 집합 이다.

즉, 결정 알고리즘은, 채널 상태 정보와, QoS(Quality of Service) 정보를 입력받고, 채널별 할당된 인지 사용자의 인덱스 집합을 출력한다.

할당 우선 순위 설정(ALG1)은,

고려 정보들을 기반으로 인지 사용자(100)에 채널을 할당하는 순서를 결정하는 과정이며, 채널이 모두 할당되거나 더 이상 채널을 할당받을 노드가 없을 때까지 이 반복 수행된다.

고려 정보는 이다.

는 QoS에 따른 요구 채널의 수가 큰 인지 사용자(100)에게 우선적으로 할당하고, 가용 채널의 수가 적은 인지 사용자(100)에게 우선적으로 채널을 할당하여 스펙트럼 효율을 향상시킨다.

는 채널 이용율이 낮은 인지 사용자(100)에게 우선적으로 채널을 할당하여 공평성을 향상시킨다.

고려 정보의 우선 순위 설정은 다음과 같다.

어떤 정보를 가장 우선적으로 고려할지는 모의 시험을 통해 우선 순위를 설정(1순위, 2순위, 3순위)한다.

은 내림차순(값이 클수록 우선 순위가 높음)이고,

는 올림차순(값이 낮을수록 우선 순위가 높음)이며,

은 올림차순(값이 낮을수록 우선 순위가 높음)이다.

고려하는 정보의 값이 같을 때, 할당 우선 순위 결정 방법은 다음과 같다.

1순위 정보가 동일하면, 2순위 정보로 설정한다.

2순위 정보가 동일하면, 3순위 정보로 설정한다.

1, 2, 3 순위 정보가 모두 동일하면, 랜덤하게 순위를 설정한다.

환언하면, 할당 우선 순위 설정 알고리즘은 채널 상태 정보와, QoS 정보를 기반으로 인지 사용자에 채널을 할당하는 순서를 결정하며, 채널이 모두 할당되거나 채널을 할당받을 노드가 없을 때까지 하기 수식 1을 반복 수행한다.

[수식 1]

또한, QoS 정보에 따른 요구 채널의 수가 크거나 가용 채널의 수가 적은 인지 사용자에게 채널을 우선 할당한다.

채널 할당을 위해 인지 사용자(100)를 오더링하는 슈도 코드(Pseudo Code) ALG1 은 다음과 같다.

입력은 이다.

출력은 이다.

나머지는 하기 표 6과 같다.

[표 6]

채널 결정 ALG2는 다음과 같다.

할당 우선 순위 대로 인지 사용자(100)들에게 채널을 할당하는 과정이며, 채널이 모두 할당되거나 더 이상 채널을 할당받을 노드가 없을 때까지 이 반복 수행된다.

즉, 가용한 채널이 존재하고, 그 채널을 할당받을 인지 사용자(100)가 존재할 때까지 ALG2가 수행된다.

만약, ALG2가 수행 중, 중에서 적어도 하나의 값이 0이 되면 ALG2는 종료되며, 전체적인 채널 결정(SA : Spectrum Allocation) 프로토콜도 종료된다.

반대로, ALG2가 모두 진행되었음에도 의 두 값 모두 1보다 클 경우에는 다시 ALG1으로 이동한다.

ALG1으로부터 업데이트된 를 적용하며, 할당 우선 순위에 따라 채널 결정이 진행된다.

인지 사용자(100) 가 이며, 에 있는 가용 채널들 중에서 다른 인지 사용자(100)들에게 할당되지 않은 가용 채널이 적어도 하나 이상이 있는 경우,

미할당된 가용 채널들 중에서 무작위로 를 선정하여, 인지 사용자(100) 에 를 할당한다.

정보 업데이트는, (채널 할당의 수 증가, 채널 이용율에 적용됨)이고, (필요한 채널의 수 감소) 이며, (스펙트럼 할당율 업데이트) 이고, (할당 가능한 채널의 수 감소) 이며, (할당된 채널 업데이트) 이고, 에서 해당 를 삭제한다.

업데이트는, 업데이트 후, 인지 사용자(100) 에 대해 이거나 이면, 에서 해당 인지 사용자(100) 를 삭제한다.

인지 사용자(100) 가 이지만, 에 있는 모든 가용 채널들이 할당 우선 순위가 높은 인지 사용자(100) 에 의해 할당되었다면, 다음의 과정을 수행한다.

제 1 스텝 : 가용 채널 에 이미 할당된 인지 사용자(100) 가 옮겨갈 다른 가용 채널 가 있는지 확인한다.

제 2 스텝 : 가 에 옮길 수 있으면, 에 를 재할당하고, 에는 를 할당한다.

제 3 스텝 : 그러나, 가 옮겨갈 가용 채널이 없다면, 그 결과 는 채널 를 할당 받을 수 없다.

제 1 스텝 ~ 제 3 스텝은 최대 번 수행된다.

채널을 할당받는 경우의 정보 업데이트는, 이고, 이며, 이고, 이며, 에서 해당 를 삭제한다.

이 때, 이거나 이면, 에서 해당 인지 사용자(100) 를 삭제한다.

또한, 이다.

채널을 할당받지 못한 경우의 정보 업데이트는, 이고, 또한, 에서 해당 인지 사용자(100) 를 삭제한다.

이 인지 사용자(100)는 이번 전송 주기에서는 채널을 할당받지 못함을 의미한다.

제어 채널을 통해 각 인지 사용자(100)들에게 결정된 채널을 할당한다.

환언하면, 채널 결정 알고리즘은, 할당 우선 순위대로 인지 사용자(100)에게 채널을 할당하며, 가용한 채널이 존재하고, 존재하는 채널을 할당받을 인지 사용자(100)가 존재할 때까지 수행된다.

또한, 채널 결정 알고리즘이 수행 중, 중에서 적어도 하나의 값이 0이 되면 채널 결정 알고리즘이 종료되며, 채널 결정 알고리즘이 완료시에도 의 두 값이 모두 1보다 클 경우 상기 할당 우선 순위 설정 알고리즘이 수행된다.

인지 사용자(100)들의 채널을 할당하는 슈도 코드 (ALG2)는 다음과 같다.

입력은 이다.

출력은 이다.

나머지는 하기 표 7과 같다.

[표 7]

도 8은 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 방법의 전체 흐름을 나타내는 흐름도이다.

본 실시예에서는 상술한 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 시스템과 동일한 구성에 대해서는 그 상세한 설명을 생략하도록 한다.

도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 할당 우선 순위 설정 알고리즘 및 채널 결정 알고리즘을 이용한 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 방법은 3개의 단계를 포함한다.

제 1 단계(S100)에서는, 인지 사용자(100)의 스펙트럼 센싱부(10)에 의해, 수중 음파 환경(40)으로부터 정보를 수집하고 센싱한다.

제 2 단계(S200)에서는, 중앙 제어국(200)의 스펙트럼 결정부(21)에 의해, 스펙트럼 센싱부(10)의 스펙트럼 센싱의 결과를 사용하여 인지 사용자(100)가 사용할 스펙트럼을 결정하고 할당한다.

제 3 단계(S300)에서는, 중앙 제어국(200)의 스펙트럼 공유부(30)에 의해, 인지 사용자(100)가 사용하도록 결정된 스펙트럼을 사용하여 실제 정보를 송수신한다.

여기서, 중앙 제어국(200)은 스펙트럼의 결정 알고리즘을 이용하여 인지 사용자(100)의 스펙트럼을 결정하며, 결정 알고리즘은 할당 우선 순위 설정 알고리즘과, 채널 결정 알고리즘을 이용한다.

이 중 할당 우선 순위 설정 알고리즘은, 채널 상태 정보와, QoS 정보를 기반으로 인지 사용자(100)에 채널을 할당하는 순서를 결정하며, 채널이 모두 할당되거나 채널을 할당받을 노드가 없을 때까지 하기 수식 1을 반복 수행한다.

[수식 1]

또한, 채널 결정 알고리즘은, 할당 우선 순위대로 인지 사용자(100)에게 채널을 할당하며, 가용한 채널이 존재하고, 존재하는 채널을 할당받을 인지 사용자(100)가 존재할 때까지 수행된다.

이러한 채널 결정 알고리즘이 수행 중, 중에서 적어도 하나의 값이 0이 되면 상기 채널 결정 알고리즘이 종료되며, 채널 결정 알고리즘이 완료시에도 의 두 값이 모두 1보다 클 경우 상기 할당 우선 순위 설정 알고리즘이 수행된다.

한편, 본 발명에 따른 할당 우선 순위 설정 알고리즘 및 채널 결정 알고리즘을 이용한 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 시스템은 상술한 할당 우선 순위 설정 알고리즘 및 채널 결정 알고리즘을 이용한 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 방법에 의해 수행된다.

한편, 본 발명의 상술한 알고리즘들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다.

컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.

컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다.

또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 센싱 정보와, QoS(Quality of Service)와, 채널 할당율을 고려한 채널 결정을 기반으로 경험적(heuristic)으로 인지 사용자의 스펙트럼을 결정하여 스펙트럼 효율과 공평성을 향상시키는 효과가 있다.

이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시 예에 대해서 설명하였지만, 본 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 여러 가지 다양한 실시 예에 관한 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.

또한, 본 발명은 다른 다양한 형태로 구현될 수 있기 때문에 본 발명은 상술한 설명에 의해서 한정되는 것이 아니며, 이상의 설명은 본 발명의 개시 내용이 완전해지도록 하기 위한 것으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항에 의해서 정의될 뿐임을 알아야 한다.

10 : 스펙트럼 센싱부
20 : 스펙트럼 관리부
21 : 스펙트럼 결정부
22 : 스펙트럼 센싱 전략부
30 : 스펙트럼 공유부
40 : 수중 음파 환경
100 : 인지 사용자
200 : 중앙 제어국

Claims

수중 음파 환경으로부터 정보를 수집하고 센싱하는 스펙트럼 센싱부를 갖는 인지 사용자; 및
상기 스펙트럼 센싱부의 스펙트럼 센싱의 결과를 사용하여 인지 사용자가 사용할 스펙트럼을 결정하고 할당하는 스펙트럼 결정부와,
상기 인지 사용자가 사용하도록 결정된 스펙트럼을 사용하여 실제 정보를 송수신하는 스펙트럼 공유부를 갖는 중앙 제어국;을 포함하며,
상기 중앙 제어국은,
상기 스펙트럼의 결정 알고리즘을 이용하여 상기 인지 사용자의 스펙트럼을 결정하며,
상기 결정 알고리즘은 할당 우선 순위 설정 알고리즘과, 채널 결정 알고리즘을 이용하고,
상기 결정 알고리즘은,
채널 상태 정보와, QoS(Quality of Service) 정보를 입력받고,
채널별 할당된 인지 사용자의 인덱스 집합을 출력하는 것을 특징으로 하는,
수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 스펙트럼 공유부는,
주 사용자와 다른 인지 사용자에게 간섭을 주지 않도록 동적 채널 변경을 수행하는 것을 특징으로 하는,
수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 스펙트럼의 할당은 상기 중앙 제어국이 상기 인지 사용자로부터 제어 채널에서 수신한 정보들을 반영하여 상기 인지 사용자에게 상기 스펙트럼을 결정하여 할당하되,
네트워크 수율과 상기 인지 사용자 사이의 공평성을 성능 파라미터로 설정하는 것을 특징으로 하는,
수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 시스템.
삭제
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 할당 우선 순위 설정 알고리즘은,
채널 상태 정보와, QoS 정보를 기반으로 인지 사용자에 채널을 할당하는 순서를 결정하며,
상기 채널이 모두 할당되거나 채널을 할당받을 노드가 없을 때까지 하기 수식 1을 반복 수행하는 것을 특징으로 하는,
수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 시스템.
[수식 1]

- 여기서, 는 인지 사용자의 인덱스 집합이고, 는 가용 데이터 채널 수임 -
제 6 항에 있어서,
상기 QoS 정보에 따른 요구 채널의 수가 크거나 가용 채널의 수가 적은 인지 사용자에게 채널을 우선 할당하는 것을 특징으로 하는,
수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 시스템.
제 6 항에 있어서,
상기 채널 결정 알고리즘은,
할당 우선 순위대로 인지 사용자에게 채널을 할당하며,
가용한 채널이 존재하고, 존재하는 채널을 할당받을 인지 사용자가 존재할 때까지 수행되는 것을 특징으로 하는,
수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 시스템.
제 8 항에 있어서,
상기 채널 결정 알고리즘이 수행 중, 중에서 적어도 하나의 값이 0이 되면 상기 채널 결정 알고리즘이 종료되는 것을 특징으로 하는,
수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 시스템.
제 9 항에 있어서,
상기 채널 결정 알고리즘이 완료시에도 의 두 값이 모두 1보다 클 경우 상기 할당 우선 순위 설정 알고리즘이 수행되는 것을 특징으로 하는,
수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 시스템.
인지 사용자의 스펙트럼 센싱부에 의해, 수중 음파 환경으로부터 정보를 수집하고 센싱하는 단계;
중앙 제어국의 스펙트럼 결정부에 의해, 상기 스펙트럼 센싱부의 스펙트럼 센싱의 결과를 사용하여 인지 사용자가 사용할 스펙트럼을 결정하고 할당하는 단계;
상기 중앙 제어국의 스펙트럼 공유부에 의해, 상기 인지 사용자가 사용하도록 결정된 스펙트럼을 사용하여 실제 정보를 송수신하는 단계;를 포함하며,
상기 중앙 제어국은,
상기 스펙트럼의 결정 알고리즘을 이용하여 상기 인지 사용자의 스펙트럼을 결정하며,
상기 결정 알고리즘은 할당 우선 순위 설정 알고리즘과, 채널 결정 알고리즘을 이용하고,
상기 결정 알고리즘은,
채널 상태 정보와, QoS(Quality of Service) 정보를 입력받고,
채널별 할당된 인지 사용자의 인덱스 집합을 출력하는 것을 특징으로 하는,
수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 방법.
삭제
제 11 항에 있어서,
상기 할당 우선 순위 설정 알고리즘은,
채널 상태 정보와, QoS 정보를 기반으로 인지 사용자에 채널을 할당하는 순서를 결정하며,
상기 채널이 모두 할당되거나 채널을 할당받을 노드가 없을 때까지 하기 수식 1을 반복 수행하는 것을 특징으로 하는,
수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 방법.
[수식 1]

- 여기서, 는 인지 사용자의 인덱스 집합이고, 는 가용 데이터 채널 수임 -
제 13 항에 있어서,
상기 채널 결정 알고리즘은,
할당 우선 순위대로 인지 사용자에게 채널을 할당하며,
가용한 채널이 존재하고, 존재하는 채널을 할당받을 인지 사용자가 존재할 때까지 수행되는 것을 특징으로 하는,
수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 채널 결정 알고리즘이 수행 중, 중에서 적어도 하나의 값이 0이 되면 상기 채널 결정 알고리즘이 종료되는 것을 특징으로 하는,
수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 방법.
제 15 항에 있어서,
상기 채널 결정 알고리즘이 완료시에도 의 두 값이 모두 1보다 클 경우 상기 할당 우선 순위 설정 알고리즘이 수행되는 것을 특징으로 하는,
수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 방법.
제 11 항, 제 13 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 방법에 의해 수행되는 수중 인지 무선 통신 스펙트럼 공유 설계 시스템.