KR20080098874A - 무선 통신 시스템의 스펙트럼 점유를 검출하는 스펙트럼검출 장치 및 스펙트럼 검출 방법 - Google Patents

무선 통신 시스템의 스펙트럼 점유를 검출하는 스펙트럼검출 장치 및 스펙트럼 검출 방법 Download PDF

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엘지전자 주식회사
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Abstract

특정 주파수 대역을 통과한 입력 신호에 대한 신호 강도를 생성하는 신호 강도 생성기 및 상기 신호 강도에 따라 임계치를 갱신하고, 상기 임계치에 따라 상기 주파수 대역에서의 신호의 존재 유무를 판단하는 임계치 적용기를 포함한다. 무선 통신 시스템의 스펙트럼 점유를 검출하는 스펙트럼 검출에 있어서, 신호 강도에 대한 임계치를 적응적으로 조절하여 스펙트럼 검출의 오류를 줄일 수 있다.
CR(Cognitive radio), 스펙트럼, 스펙트럼 검출, 임계치, 적응형 임계치

Description

무선 통신 시스템의 스펙트럼 점유를 검출하는 스펙트럼 검출 장치 및 스펙트럼 검출 방법{System and method for spectrum sensing of spectrum usage in wireless communication system}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스펙트럼 검출 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스펙트럼 검출 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스펙트럼 검출 방법의 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스펙트럼 검출 방법에서 각 시간 구간에 대한 신호의 존재 유무를 판단한 결과를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스펙트럼 검출 방법에 대하여 시뮬레이션을 수행한 결과를 보여주는 도면이다.
** 도면의 주요부분의 부호에 대한 설명 **
110: 안테나 120: A/D 변환기
130: 대역 필터기 140: 신호 강도 생성기
150: 임계치 적용기
본 발명은 무선 통신에 관한 것으로 보다 상세하게는 에너지 검출을 이용한 스펙트럼 검출 장치 및 검출 방법에 관한 것이다.
최근의 정보 통신 서비스는 사용자의 고속화 및 광대역 멀티미디어 서비스 요구에 발맞추어 유뮤선 통신의 통합과 통신과 방송의 구분이 없어지는 융합기술이 두드러지게 나타나고 있다. 특히 이동 통신, WRAN(Wireless regional area network), 디지털 방송 및 위성 통신을 비롯하여 RFID(Radio frequency identification)/USN(Ubiquitous sensor network), UWB(Ultra wideband) 통신 등 무선을 이용하는 서비스의 급증에 따라서 한정된 전파 자원에 대한 수요가 계속 급증하고 있다.
계속적인 전파 자원에 대한 수요 증가에 비하여 남은 스펙트럼(Spectrum)의 부족과 현재 사용중인 스펙트럼을 비효율적으로 이용하고 있는 상황이다. 따라서 이용되지 않고 있는 주파수 자원을 효율적으로 이용할 수 있는 주파수 공유 기술이 대두되고 있는 실정이다. 여기서, 스펙트럼이란 가용할 수 있는 무선 자원을 말한다.
주파수 공유 기술은 무선 서비스의 전 분야에 걸쳐 광범위하게 응용될 수 있다. 이중에서도 스펙트럼 환경을 측정하여 사용하지 않은 주파수를 선정하고 기존의 전파환경과 양립하면서 통신을 하는 CR(Cognitive Radio) 기술이 떠오르고 있다. CR 기술은 공간, 시간적인 통신 환경 영역에서 현재의 스펙트럼 이용 현황을 감지한 후 지능적으로 판단하여 적절한 주파수, 변조 방식, 출력 등을 선택하는 기술이다.
특히 CR 기술에서는 주 사용자의 주파수 사용 현황을 감지하고, 비어 있는 스펙트럼 홀(Hole)을 찾는 스펙트럼 센싱 기술이 중요하다. 스펙트럼 센싱 기술로는 정합 필터를 기반으로 감지하는 방법, 에너지 검출을 기반으로 감지하는 방법 및 스펙트럼 상관을 기반으로 감지하는 방법이 있다.
정합 필터를 기반으로 감지하는 방법은 정합 필터의 특성상 SNR(Signal to noise ratio)을 최대화 할 수 있는 장점이 있지만, 송신 신호에 대한 정보를 미리 알아야 하기 때문에 다양한 환경에서의 신호를 검출하는데 어려움이 있다.
스펙트럼 상관을 기반으로 감지하는 방법은 변조된 송신 신호가 주기성을 나타내는 성질을 이용하여 변조된 신호의 에너지로부터 잡음 에너지를 구별할 수 있다. 그리하여 잡음에 대해 강인한 성능을 보이지만 계산 과정이 복잡하고 보다 더 긴 관찰 시간이 요구되는 단점이 있다.
에너지 검출을 기반으로 감지하는 방법은 해당 주파수 상에서의 신호의 세기를 감지하여 신호의 존재 유무를 판단하는 방식이다. 이 방식은 정합 필터를 기반으로 감지하는 방법보다 한 단계 낮은 방식이지만, 신호의 특정한 형태가 없을 경우에 에너지 검출 방법에 의해서 검출할 수 있다.
에너지 검출을 기반으로 감지하는 방법에서는 검출된 에너지의 크기의 양을 어느 정도로 할 것인지 미리 판단하기가 어렵고, 간섭 신호에 대한 대비책이 없어서 신호의 크기의 임계치를 효율적으로 정하는 것이 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 미지의 신호를 감지하는 데 있어 신 호 강도에 대한 임계치를 적응적으로 조절하는 스펙트럼 검출 장치와 스펙트럼 검출 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 무선 통신 시스템의 스펙트럼 점유를 검출하는 스펙트럼 검출 장치를 제공한다. 스펙트럼 검출 장치는 특정 주파수 대역을 통과한 입력 신호에 대한 신호 강도를 생성하는 신호 강도 생성기 및 상기 신호 강도에 따라 임계치를 갱신하고, 상기 임계치에 따라 상기 주파수 대역에서의 신호의 존재 유무를 판단하는 임계치 적용기를 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 무선 통신 시스템의 스펙트럼 점유를 검출하는 스펙트럼 검출 방법을 제공한다. 스펙트럼 검출 방법은 안테나를 통하여 수신된 신호에 대한 신호 강도를 생성하고, 상기 신호 강도에 따른 임계치를 갱신하여 상기 수신된 신호의 존재 유무를 판단한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따른 스펙트럼 검출 방법은 안테나를 통하여 수신된 신호에 대한 신호 강도를 생성하고, 상기 신호 강도를 이용하여 임계치를 갱신한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
이하의 기술은 다양한 통신 시스템에 사용될 수 있다. 통신 시스템은 음성, 패킷 데이터 등과 같은 다양한 통신 서비스를 제공하기 위해 널리 배치된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스펙트럼 검출 장치의 블록도이다. 도 1 을 참조하면, 스펙트럼 검출 장치(100)는 안테나(110), A/D 변환기(120), 대역 필터기(130), 신호 강도 생성기(140) 및 임계치 적용기(150)를 포함할 수 있다.
안테나(110)는 외부로부터 전송되는 수신 신호 X(t)를 받는다. 여기서, 수신 신호 X(t)는 모든 종류의 신호를 포함할 수 있다. 사용자는 사용중인 통신 방식의 주파수 대역의 비어 있는 홀(Hole) 뿐만 아니라 다른 통신 방식에서 사용되는 주파수 대역 중에서 비어 있는 홀을 사용하기 위함이다. 따라서 X(t)는 이동 통신 신호, WRAN(Wireless regional area network) 신호, 디지털 방송 신호, 위성 통신 신호, RFID(Radio frequency identification) 신호, UWB(Ultra wideband) 통신 신호들 뿐만 아니라 미래에 개발되어 사용될 수 있는 통신 신호들을 포함한다.
A/D(Analog/Digital) 변환기(120)는 안테나에 의해 수신된 신호를 디지털 신호로 변환한다.
대역 필터기(130)는 수신 신호 중에서 일정한 주파수 대역에 속하는 입력 신호를 추출한다. 일정한 주파수 대역(Band width)에 대하여 필터링을 수행하여 해당 주파수 대역의 신호만을 통과시킬 수 있다. 예를 들어, 주파수 대역으로는 중심 주파수가 정해지고, 중심 주파수를 중심으로 특정한 크기의 주파수 대역이 결정될 수 있다. 주파수 대역의 크기는 타 사용자의 사용하는 주파수 대역의 일부 또는 전부가 될 수 있다. 다만, 대역 필터기(130)는 A/D 변환기(120)보다 먼저 위치하여 수신 신호 중에서 일정한 주파수 대역을 가지는 신호를 추출하고, 추출된 신호에서 디지털 신호로 변환할 수도 있다.
대역 필터기(130)는 수신된 신호를 FFT(Fast Fourier Transform)에 의하여 주파수 성분으로 추출하는 FFT기(미도시됨)를 포함할 수 있다. 주파수 성분으로 추출된 신호들 중에서 검출하려는 주파수 대역에 포함되는 입력 신호를 추출할 수도 있다. FFT를 수행하는 점들의 수를 증가시킴으로 신호 강도의 생성에 있어 정확도가 더 높아질 수 있다. 이는 신호의 변화에 대한 해상도(Resolution)를 높여서 급격히 변동하는 신호 변화를 감지할 수 있기 때문이다.
대역 필터기(130)의 특정 주파수 대역은 고정되거나 변동될 수 있다. 이는 스펙트럼 센싱 장치(100)에 의해 검출하려는 주파수 대역이 고정되거나 변동될 수 있기 때문이다. 고정된 주파수 대역에 있어서는, 주 사용자가 점유하는 있는 주파수 대역이 정해져 있고 그에 따르는 각 대역의 위치 또한 정의되어 있다. 이러한 경우에는 스펙트럼 환경 자체의 변화는 크지 않지만, 검출하려는 지역에 따라서 스펙트럼 환경이 다를 수 있다. 이러한 환경하에서는 각 채널에 대한 특성이 정해져 있으므로, 특정 주파수 대역에서의 신호를 검출하여 해당 주파수 대역의 사용 여부를 판단할 수 있다.
동적(Dynamic) 주파수 대역에 있어서는, 주 사용자가 점유하고 있는 주파수 대역이 정의되지 않고 동적으로 변화하는 환경이다. 주 시스템(Primary system)의 주파수 대역이 동적으로 변화하는 것이 아니라, 특정 주파수 대역을 점유하는 신호에서의 주 사용자의 종류가 다수라고 볼 수 있다. 이러한 시스템에서는 대부분 협대역인 경우이며, 특정 중심 주파수에서 나타나는 신호의 주파수 대역이 변화하기 때문에 스펙트럼 검출이 용이하지 않다. 따라서 변화하는 주파수 대역을 추정하기 위하여 검출하는 주파수 대역을 가변적으로 조정할 수 있다.
신호 강도 생성기(140)는 일정 시간 동안 수신한 신호 강도를 생성한다. 특정 주파수 대역의 신호인 입력 신호의 신호 강도를 구하기 위하여 일정 시간 동안의 입력 신호에 대한 대표 값을 구한다. 신호 강도 생성기는 일정 시간 동안의 입력 신호를 이용하여 신호 강도를 나타내는 대표 값을 다양한 방법에 의해 구할 수 있다.
임계치 적용기(150)는 신호 강도 생성기(140)에 의해 구해진 신호 강도에 임계치(Threshold)를 적용한다. 임계치는 가변적인 크기로서, 임계치가 낮으면 신호의 유무를 용이하게 판별할 수 있으나 잡음에 민감하게 반응하여 오경보 확률(False alarm probability)이 높아질 수 있다. 임계치가 너무 높으면, 실질적으로 주 사용자에 의해 해당 주파수 대역을 점유하고 있는 상태에서 점유하지 않은 것으로 판단하는 오검출 확률(Miss detection probability)이 높아질 수 있다. 따라서, 임계치를 가변적으로 적용하여 적응적으로 변동되는 주변 환경에서 신호의 존재 유무를 더욱 정확하게 판별하여 오경보 확률 또는 오검출 확률을 줄일 수 있다. 여기서, 오검출 확률은 해당 주파수 대역에 타 사용자의 신호가 있음에도 없는 것으로 판단하는 확률을 말한다. 오경보 확률은 해당 주파수 대역에 타 사용자의 신호가 없음에도 있는 것으로 판단하는 확률을 말한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스펙트럼 검출 방법의 흐름도이다. 도 2를 참조하면, 안테나를 통하여 신호를 수신한다(S100). 수신된 신호는 시간 구간에 따라 나눌 수 있다. 예를 들어, 시간을 일정한 간격으로 나눌 수 있으며, 이하에서는 설명을 명확히 하기 위하여 (n-1)T 시간과 nT 시간 사이에 수신한 신호에 대하 여 적용한다. 여기서, n은 양의 정수이다.
수신된 신호 중에서 센싱하려는 특정 주파수 범위에 속하는 신호를 추출한다(S110). 특정 주파수 범위에 포함되는 신호를 추출하기 위하여는 대역 통과 필터(Band pass filter)를 이용할 수 있다. 대역 통과 필터는 일정한 범위의 주파수 대역을 가지는 신호만을 통과시킨다. 또는, 수신된 신호에 대하여 주파수 성분으로 변환시키는 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하여, 특정 주파수 대역에 포함되는 신호를 추출할 수도 있다.
특정 주파수 대역에 포함되는 신호가 추출되면, 이를 이용하여 신호 강도를 생성한다(S120). (n-1)T 시간과 nT 시간 사이에서 특정 주파수 대역에 포함되는 신호를 이용하여 생성된 신호 강도를 n-번째 신호 강도(En)라고 정의한다.
신호 강도(En)은 (n-1)T 시간과 nT 시간 사이의 특정 주파수 대역에 포함되는 입력 신호(s)에 대한 강도를 생성한다. 신호 강도(En)를 생성하는 일 실시예에 있어서, 해당 시간 동안 입력 신호를 제곱하고, 제곱한 신호를 적분하는 다음 수학식에 의해 구할 수 있다.
Figure 112007033933057-PAT00001
여기서, s는 센싱하려는 주파수 대역에서 추출한 입력 신호이다.
시간적으로 (n-1)T 와 nT 사이에 신호의 존재 유무를 감지하기 위하여, 시간 (n-1)T 와 nT 사이에 신호를 제곱하여 적분함으로써, 시간 (n-1)T 와 nT 사이의 신호 강도(En)를 구할 수 있다.
신호 강도(En)를 생성하는 다른 실시예에 있어서, 해당 시간 간격 동안 신호를 평균 값을 구하고, 이를 제곱하는 다음 수학식을 이용할 수 있다.
Figure 112007033933057-PAT00002
또 다른 실시예로서, 특정 주파수 대역에 포함된 신호들을 추출하여 이를 제곱하여 더한 후에, 획득된 데이터 수로 나누어 신호 강도를 구할 수 있다. A/D 변환기에 의해 특정 주파수 대역에 포함되는 K개의 데이터(si)를 다음 수학식에 적용하여 신호 강도(En)를 생성할 수 있다.
Figure 112007033933057-PAT00003
이상과 같이, 시간적으로 (n-1)T 와 nT 사이에 신호에 대한 신호 강도를 생성하는 다양한 방법을 적용하여 신호 강도(En)를 생성한다. 수학식 1, 수학식 2 및 수학식 3에서의 신호 강도는 (n-1)T 와 nT 시간 사이의 평균적인 파워를 나타내는 것이지만, 수학식 1 및 수학식 2에서 시간 T를 나누지 않거나 또는 수학식 1 및 수 학식 3에 의해 구한 신호 강도에 시간 T를 곱하여 시간 T 동안의 신호의 양을 나타내는 것으로 신호 강도를 대체할 수도 있다.
생성된 n-번째 신호강도 En을 이용하여 특정 주파수 대역에서 신호의 존재 유무를 판단할 수 있다(S130). 신호의 존재 유무는 신호강도 En과 n-번째 임계치 λn과 비교하여 판단할 수 있다. 여기서, λn은 신호강도 En 등에 의하여 적응적으로 변동되어 신호의 존재 유무 판단에 신뢰성을 높일 수 있다.
n-번째 신호강도 En을 최저 강도 EL와 비교한다(S132). 최저 강도 EL는 신호가 존재하는 경우에 페이딩이나 쉐도잉과 같은 채널 상태가 변화되어 신호의 강도가 작아질 수 있는 최소 값을 나타낸다. 신호 강도 En가 최저 강도 EL보다 낮으면, 다음 수학식에 의해 신호 유무(Hn) 및 임계치(λn+1)를 갱신한다(S138).
Figure 112007033933057-PAT00004
여기서, Hn는 n-번째 시간 구간에서 신호 유무를 나타내며, H0는 신호가 없음을 나타내며, H1는 신호가 있음을 나타낸다. λn+ 1는 n+1 번째 시간 구간에서 적용할 임계치를 나타낸다. 따라서 n-번째 신호 강도가 최저 강도 보다 낮다면, n-번째 시간 구간에서는 신호가 없게 되고, n+1 번째 적용할 임계치는 n-번째 임계치와 동일하게 지정한다.
n-번째 신호강도 En가 최저 강도 EL보다 높으면, 신호 강도 En가 n-번째 임계치 보다 높은지를 판단한다(S134). n-번째 시간 구간에서 측정된 신호 강도가 임계치보다 높다면, 이는 측정된 신호 강도가 충분히 높으므로 측정된 주파수 대역에서 신호가 존재한다고 판단할 수 있다. 신호가 존재한다는 표시로서 n-번째 시간 구간에서 신호 유무 Hn에 H1을 지정한다.
이때 임계치는 다음 수학식에 의하여 갱신(Update) 할 수 있다(S136).
Figure 112007033933057-PAT00005
여기서, α는 스펙트럼 검출 장치의 설계시에 예상되는 평균 수신 신호대잡음비(Signal to noise ratio; SNR)에 대하여 원하는 검출 확률(Detection probability) 및 오경보 확률(False alarm probability)을 얻기 위한 초기 임계치와 그 때 신호 강도의 비를 나타내는 값이다. 0과 1사이의 범위를 가지는 α는 다음 수학식으로 표현된다.
Figure 112007033933057-PAT00006
일반적으로 초기 임계치가 정해져있는 경우, SNR값이 높아지면 예상되는 수신신호의 강도가 높아져 α값이 감소할 수 있다. 이와 반대로 SNR 값이 낮아지면 예상되는 수신신호의 강도가 낮아져 α값이 증가할 수 있다.
따라서, n+1 번째 임계치 λn+ 1는 α와 En의 곱이 n-번째 임계치 λn보다 큰 경우에 증가하게 되며, α와 En의 곱이 n-번째 임계치 λn 보다 작은 경우에 감소한다. 이와 같이, 갱신되는 임계치는 이전 단계의 임계치와 이전 단계의 신호 강도에 의하여 결정될 수 있다.
n-번째 신호 강도 En이 n-번째 임계치 λn 보다 작은 경우에는 신호 강도가 일정한 크기의 임계치보다 낮으므로 신호가 없다고 판단한다. n-번째 시간 구간에서의 신호의 유무에 대해서는 H0를 지정하고, n+1 번째 임계치 λn+ 1는 n-번째 임계치 λn 를 적용한다.
다만, n-번째 신호 강도 En가 높다 하더라도 α의 값이 낮다면 갱신되는 임계치 λn+ 1는 낮아질 수 있다. 따라서 갱신되는 임계치가 계속 낮아진다면 각 시간 구간마다 구해진 신호 강도가 낮더라도 신호가 존재한다는 것으로 판단할 수 있다. 왜냐하면 낮은 신호 강도가 얻어지지만 임계치는 더 낮아져 있어 신호가 없는 상태임에도 불구하고 신호가 있는 오경보(False alarm)가 발생하게 된다. 따라서 최소 임계치(λmin)를 지정하여 갱신되는 임계치가 최소 임계치(λmin)보다 낮아지면, 갱신되는 임계치를 최소 임계치(λmin)로 지정할 수 있다.
상기의 단계들을 시간을 증가시키면서 반복시켜 각 시간 단계 구간마다 신호 강도를 구하고, 이에 따른 임계치를 갱신하면서 특정 주파수 대역에 타 사용자의 신호 유무를 각 시간 구간에서 감지할 수 있다. 이때에, 페이딩 또는 쉐도잉 등에 의하여 채널 상태가 변화거나 간섭이 존재하는 경우에 임계치를 적응적으로 갱신하게 함으로써 신호 강도를 이용하는 스펙트럼 검출 방법의 신뢰도를 높일 수 있다. 따라서 부 사용자는 주 사용자의 주파수 대역 사용 여부를 더욱 정확히 판단하여 비어 있는 주파수 대역을 신뢰성 있게 사용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스펙트럼 검출 방법의 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 안테나를 통하여 수신 신호를 획득한다(S200). 획득된 수신 신호 중에서 특정 주파수 대역에 속하는 입력 신호를 추출한다(S210). 특정 주파수 대역에 속하는 입력 신호가 추출되면, 입력 신호를 이용하여 신호 강도(En)를 생성한다(S220). (n-1)T 시간과 nT 시간 사이에서 특정 주파수 대역에 포함되는 신호를 이용하여 생성된 신호 강도를 n-번째 신호 강도(En)라고 정의한다. 시간에 따라 수신 신호를 획득하면서, 각 시간의 구간을 나눌 수 있으며 이하에서는 설명을 명확히 하기 위하여 (n-1)T 시간과 nT 시간 사이에 수신한 신호에 대하여 적용한다.
생성된 신호 강도(En)와 n-번째 임계치(λn)와의 크기를 비교한다(S232). 신호 강도(En)와 n-번째 임계치(λn) 보다 크면, 해당 주파수 영역에서 신호가 있다는 것으로 판단하여 다음 수학식을 적용한다.
Figure 112007033933057-PAT00007
일단 생성된 신호 강도(En)가 n-번째 임계치(λn )보다 크면 다음 시간 단계에서의 임계치(λn+1)를 다음 수학식에 의해 구한다(S234).
Figure 112007033933057-PAT00008
여기서, α는 수학식 6에 의하여 구할 수 있다.
다만, α의 값이 0에서 1사이의 값이므로 α 가 낮다면 갱신되는 임계치(λn+1)의 값이 계속 낮아질 수 있다. 따라서 다음 시간 단계에서의 임계치(λn+1)가 최소 임계치(λmin)보다 낮다면, 갱신되는 임계치(λn+1)를 최소 임계치(λmin)로 지정한다(S237). 다음 시간 단계에서의 임계치(λn+1)가 최소 임계치(λmin)보다 높다면 , 갱신되는 임계치(λn+1)는 수학식 8에 의한 값으로 지정한다(S238).
생성된 신호 강도(En)가 n-번째 임계치(λn )보다 낮다면, 해당 주파수 영역에서 신호가 없다는 것으로 판단하고, 다음 시간 단계에서의 임계치(λn+1)는 현재의 임계치(λn)로 유지하는 다음 수학식을 적용한다(S239).
Figure 112007033933057-PAT00009
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스펙트럼 검출 방법에서 각 시간 구간에 대한 신호의 존재 유무를 판단한 결과를 보여준다. 도 4를 참조하면, 임계치를 고정시킨 경우인 '고정형 임계치'와 임계치를 적응적으로 변화시키는 '적응형 임계치'인 경우에 각 시간 구간에서 신호의 존재 유무를 달리 판단할 수 있다.
일정한 대역을 가지는 주파수 밴드에 대하여 시간에 따른 신호를 받는다. 수신 신호를 제곱하여 신호 강도를 구하여, 이를 시간상으로 나타내었다. 신호 강도는 매 시간마다 미세하게 변동하지만, 전체 시간 구간에서는 감소하다가 다시 증가하는 패턴을 가진다. 다만, 이러한 분포는 하나의 예에 지나지 아니하고 채널 환경 등 다양한 변수에 의하여 수신 신호의 패턴이 달라질 수 있다.
전체 구간을 복수의 시간 간격으로 나누어 각 시간 구간에서의 신호의 유무를 판단한다. 신호의 유무를 판단하기 위하여, 각 시간 구간에서의 하나의 대표 값을 가지는 신호 강도를 생성한다. 여기서는 생성되는 신호 강도는 각 시간 구간에서의 신호를 제곱하여 평균하였다.
'고정형 임계치'인 경우에는 전체 시간 구간에서 하나의 임계치를 적용한다. 이러한 경우에는 수신 신호의 강도가 낮아지더라도 임계치를 고정시킴으로 인하여 신호의 존재 유무에 있어 신호가 없는 것으로 판단할 수 있다. 수신 신호가 페이딩 또는 쉐도잉 등에 의한 간섭으로 신호의 강도가 떨어지는 경우 임계치를 고정시키면 신호가 있는 경우에도 신호가 없는 것으로 판단하는 오검출(Miss detection)이 발생할 수 있다.
하지만, '적응형 임계치'인 경우에는 신호의 강도가 낮아지더라도 이에 따라 임계치를 적응적으로 변동시켜 신호가 있는 것으로 판단할 수 있다. 특히, 임계치를 고정시킨 경우에 신호가 없는 것으로 판단한 구간에서도 임계치를 적응적으로 변동시키면 신호가 있는 것으로 판단하여 오검출 확률을 줄일 수 있다.
이는 시간이 증가하면서 신호의 강도가 낮아질 때에는 이에 따라 α와 En 의 곱이 낮아지면서, 갱신되는 임계치 λn+1이 낮아지기 때문이다. 따라서 임계치를 적응적으로 적용하는 경우에는 수신 신호의 강도가 낮아지더라도 신호의 존재 유무를 더욱 정확하게 판단할 수 있다. 이와 같이, '고정형 임계치'인 경우에는 수신 신호의 강도가 낮아져 신호의 존재 유무를 검출할 수 없었지만, '적응형 임계치'인 경우에는 수신 신호의 강도가 낮아지더라도 신호의 존재를 검출할 수 있는 영역(400)이 존재할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스펙트럼 검출 방법에 대하여 시뮬레이션을 수행한 결과를 보여준다. 도 5를 참조하면, SNR이 10dB 및 15dB 일 때에 고정형 임계치와 적응형 임계치에 의한 오검출 확률(Miss detection probability) 및 오경보 확률(False alarm probability)을 비교하였다. 수신기가 3km/h로 이동하면서 레일레이(Rayleigh) 채널을 겪는 조건을 적용하였다.
SNR이 10dB 인 경우에서는 고정형 임계치를 적용한 경우보다 본 발명의 일 실시예에 따른 적응형 임계치를 적용한 경우에 오경보 확률 및 오검출 확률이 줄어듦을 알 수 있다. 이러한 경향은 SNR이 15dB 인 경우에도 동일하다.
특히 10dB의 경우에 있어서는 오경보 확률과 오검출 확률이 높은 영역에서는 상대적으로 더 크게 오경보 확률과 오검출 확률을 낮출 수 있다. 이는 SNR 비율이 15dB에 비해 낮은 10dB에서 상대적으로 오경보 확률과 오검출 확률이 높기 때문에, 적응형 임계치를 적용함으로써 이를 더욱 크게 개선할 수 있다.
신호가 없음에도 불구하고 있다고 판단하는 오경보 확률은 임계치를 낮게 적용하는 경우에 주로 발생할 수 있다. 오경보 확률이 높은 영역에서 적응형 임계치를 적용하는 경우에는 임계치를 검출된 신호 강도 보다 높게 변경시켜 오경보 확률을 줄일 수 있다.
신호가 있음에도 불구하고 없다고 판단하는 오검출 확률이 높은 영역에서는 임계치를 구해진 신호 강도 보다 높게 적용하는 경우에 주로 발생할 수 있다. 고정형 임계치를 적용하는 경우에 오검출 확률이 높다는 것은 임계치를 높게 적용하였다는 것이지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 적응형 임계치를 적용한 경우에는 임계치를 가변적으로 변화시킴으로 임계치를 낮출 수 있다. 따라서 오검출 확률을 낮추어 신호 검출의 신뢰성을 높일 수 있다.
이와 같이 신호 강도의 변화에 따라 임계치를 적응적으로 변동시킬 수 있다. 임계치가 적응적으로 변동되거나 또는 갱신됨으로써 수신된 신호가 페이딩 또는 쉐도잉에 의해 감쇄 되더라도 타 사용자의 스펙트럼 점유 여부 판단에 대한 신뢰성을 높여 오경보 확률 및 오검출 확률을 낮출 수 있다.
본 발명은 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 하드웨어 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하기 위해 디자인된 ASIC(application specific integrated circuit), DSP(digital signal processing), PLD(programmable logic device), FPGA(field programmable gate array), 프로세서, 제어기, 마이크로 프로세서, 다른 전자 유닛 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 소프트웨어 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하는 모듈로 구현될 수 있다. 소프트웨어는 메모리 유닛에 저장될 수 있고, 프로세서에 의해 실행된다. 메모리 유닛이나 프로세서는 당업자에게 잘 알려진 다양한 수단을 채용할 수 있다.
이상 본 발명에 대하여 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시켜 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명은 이하의 특허청구범위의 범위 내의 모든 실시예들을 포함한다고 할 것이다.
상기에서 상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 신호 강도에 대한 임계치를 적응적으로 조절함으로써 스펙트럼 검출에 있어 오류를 줄일 수 있다.

Claims (8)

  1. 무선 통신 시스템의 스펙트럼 점유를 검출하는 스펙트럼 검출 장치에 있어서,
    특정 주파수 대역을 통과한 입력 신호에 대한 신호 강도를 생성하는 신호 강도 생성기; 및
    상기 신호 강도에 따라 임계치를 갱신하고, 상기 임계치에 따라 상기 주파수 대역에서의 신호의 존재 유무를 판단하는 임계치 적용기를 포함하는, 스펙트럼 검출 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 임계치는
    상기 신호 강도가 커짐에 따라 증가하고, 상기 신호 강도가 낮아짐에 따라 감소하는, 스펙트럼 검출 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 임계치는
    상기 임계치는 갱신하기 전의 임계치와 상기 신호 강도를 이용하여 갱신되는, 스펙트럼 검출 장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 임계치는
    다음 수학식에 의해 갱신되는, 스펙트럼 검출 장치.
    Figure 112007033933057-PAT00010
    여기서, λn+ 1는 n+1 번째 시간 구간에서 적용할 임계치, λn는 n-번째 시간 구간에서 적용할 임계치, En는 n-번째 신호강도 및 α는 0과 1 사이의 값이다.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 α는
    스펙트럼 검출 장치의 설계시에 예상되는 평균 수신 신호대잡음비(Signal to noise ratio; SNR)에 대하여 원하는 검출 확률(Detection probability) 및 오경보 확률(False alarm probability)을 얻기 위한 초기 임계치와 그 때 신호 강도의 비를 나타내는 값인, 스펙트럼 검출 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 갱신되는 임계치가
    최저 임계치보다 낮은 경우에 최저 임계치로 지정되는, 스펙트럼 검출 장치.
  7. 무선 통신 시스템의 스펙트럼 점유를 검출하는 스펙트럼 검출 방법에 있어서,
    안테나를 통하여 수신된 신호에 대한 신호 강도를 생성하는 단계; 및
    상기 신호 강도에 따른 임계치를 갱신하여, 상기 수신된 신호의 존재 유무를 판단하는 단계를 포함하는, 스펙트럼 검출 방법.
  8. 무선 통신 시스템의 스펙트럼 점유를 검출하는 스펙트럼 검출 방법에 있어서,
    안테나를 통하여 수신된 신호에 대한 신호 강도를 생성하는 단계; 및
    상기 신호 강도를 이용하여 임계치를 갱신하는 단계를 포함하는, 스펙트럼 검출 방법.
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