KR20100123077A - 무선 인지 시스템의 다이버시티를 이용한 스펙트럼 센싱 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선 인지 시스템에서 다중 안테나를 적용한 다이버시티 기법을 이용하여 면허 사용자의 스펙트럼 점유 여부를 판단하는데 적당하도록 한 기술에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 면허 사용자의 신호가 송출되는 면허 사용자 스테이션과; 다중 안테나를 통해 상기 면허 사용자의 신호를 센싱하고, 이 센싱 결과들을 결합한 결과로부터 면허 사용자의 존재 유,무를 판단하는 협력 스펙트럼 센싱의 역할을 수행하는 비면허 사용자 시스템;을 구비함을 특징으로 한다. 따라서, 실제 무선통신에서 다중 경로 페이딩의 영향이 감소되어 수신 신호의 신호 대 잡음비가 향상되므로 스펙트럼 센싱의 품질이 향상된다. 또한, 메이저러티 방식을 적용하여 면허 사용자의 유,무를 판정함으로써, 판정의 신뢰성이 향상된다.

무선 인지 시스템, 다이버시티, 다중안테나, 면허 사용자, 비면허 사용자

Description

무선 인지 시스템의 다이버시티를 이용한 스펙트럼 센싱 장치 및 방법{SPECTRUM SESING APPARATUS AND METHOD USING DIVERSITY COMBINING IN COGNITIVE RADIO}

본 발명은 무선 인지 시스템에서 면허 사용자를 검출하기 위한 스펙트럼 센싱 기술에 관한 것으로, 특히 다중 안테나를 적용한 다이버시티 기법을 이용하여 면허 사용자의 스펙트럼 점유 여부를 판단하는데 적당하도록 한 무선 인지 시스템의 다이버시티를 이용한 스펙트럼 센싱 장치 및 방법에 관한 것이다.

인지 무선 시스템에서 인지 무선기기는 1차 사용자(이하, '면허 사용자'라 칭함)의 주파수 대역이 면허 사용자에 의해 사용되지 않는 동안 그 주파수 대역을 사용한다. 여기서, 인지 무선기기의 예로써 기지국 및 단말을 들 수 있다. 상기 무선인지 시스템은 2차 사용자(이하, '비면허 사용자'라 칭함) 시스템으로 표현된다.

인지 무선 시스템에서의 스펙트럼 센싱 기술은, 인지 무선 기기가 면허 사용자의 주파수 채널을 사용하는 도중에 면허 사용자가 그 주파수 채널에 출현하였는지를 확인하기 위해 해당 주파수 대역의 스펙트럼을 검사하는 기술이다.

일반적으로, 인지 무선 시스템은 면허 사용자의 주파수 채널 사용에 대한 기득권을 최대한 보장해 주어야 하는데, 이를 위해서는 인지 무선 기기가 면허 사용자 의 해당 주파수 채널에 출현하였는지의 여부를 보다 정확하게 검출할 수 있도록 하는 스펙트럼 센싱 기술이 필요하다.

종래의 인지 무선 시스템에 있어서는 스펙트럼 센싱의 성능을 향상시키기 위하여 협력 스펙트럼 센싱 기술을 사용하였는데, 이를 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

복수 개의 비면허 사용자 시스템(CR1-CR3)은 면허 사용자 스테이션(11)으로부터 면허 사용자의 신호를 센싱하여 제어 채널(CH_CTL)을 통해 융합 센터(Fusion Center)(12)에 전송한다. 이때, 상기 융합 센터(12)는 상기 제어 채널(CH_CTL)을 통해 상기 비면허 사용자 시스템(CR1-CR3)으로부터 결합된 형태로 수신되는 면허 사용자의 스펙트럼을 근거로 그 면허 사용자가 해당 주파수 채널을 사용하는지의 여부를 판단하였다.

상기와 같이 결합된 형태의 다수의 센싱 결과로부터 면허 사용자의 존재여부를 판단할 때 앤드(AND) 방식과 오아(OR) 방식이 적용되었다. 상기 앤드 방식과 오아 방식을 적용하기 위해 개별 센싱 결과를 결합하는 것은 아래의 [수학식1]로 표현된다.

결국, 상기 [수학식 1]은 면허 사용자의 존재여부에 대한 최종 판정을 내리기 위해 각 개별 센싱 결과의 산술 평균을 취하여 최종 스펙트럼 검출값

를 구하는 [수학식]이라 할 수 있다.

이렇게 계산되어 나타난 결과는 임계값과 비교되고, 그 비교 결과를 근거로 면허 사용자의 유,무를 판단하게 되는데, 이때 임계값

로 설정하는 것이 앤드AND) 방식이고

으로 설정하는 것이 오아(OR) 방식이다. 여기서,

은 개별 센싱 결과의 수 즉, 협력 스펙트럼 센싱에서는 비면허 사용자의 수이다.

앤드 방식의 경우 상기 개별 센싱의 결과가 모두 “1”일 때에만 면허 사용자가 존재하는 것으로 판단하고, 개별 센싱 결과중 어느 하나라도 “0”인 경우 면허 사용자는 해당 스펙트럼에 존재 하지 않는 것으로 판단한다. 이에 비하여, 오아 방식은 개별 센싱 결과중 하나라도 “1”이면 면허 사용자가 존재한다고 판단한다.

이와 같이 종래의 인지 무선 시스템에서는 비면허 사용자 시스템은 면허 사용자 스테이션으로부터 면허 사용자의 신호를 센싱하여 제어 채널을 통해 융합 센터로 전송하는데, 그 제어 채널이 실질적으로 완벽하게 제어 가능한 채널이 아니므로, 각각의 개별 센싱 결과는 채널에서 발생하는 다중경로 페이딩등에 의해 신호의 진폭 및 위상 등이 변화되어 스펙트럼 검출 성능의 저하 문제가 발생될 수 있다.

또한, 면허 사용자의 유,무를 판단할 때 앤드 방식이나 오아 방식을 적용하여 지나치게 정밀하거나 조악한 센싱 결과가 나타나 신뢰성이 저하되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 다중 안테나를 적용한 다이버시티 기법을 이용하여 면허 사용자의 스펙트럼 점유 여부를 판단하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 협력 스펙트럼 센싱을 수행할 때 메이저러티 (Majority) 임계값을 적용하여 면허 사용자가 해당 주파수 채널을 사용하는지의 여부를 판단하는데 있다.

본 발명의 목적들은 앞에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 아래 설명에 의해 더욱 분명하게 이해될 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

면허 사용자의 신호가 송출되는 면허 사용자 스테이션과;

다중 안테나를 통해 상기 면허 사용자의 신호를 센싱하고, 이 센싱 결과들을 결합한 결과로부터 면허 사용자의 존재 유,무를 판단하는 협력 스펙트럼 센싱의 역할을 수행하는 비면허 사용자 시스템;을 포함하여 구성함을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 비면허 사용자 시스템은 상기 협력 스펙트럼 센싱의 역할을 수행할 때 메이저러티(Majority) 방식을 적용하여 면허 사용자가 해당 주파수 채널을 사용하는지의 여부를 판단한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 또 다른 본 발명은,

비면허 사용자 시스템(무선 인지 스테이션)이 다중 안테나를 통해 면허 사용자 스테이션으로부터의 면허 사용자의 신호를 수신하는 제1과정과;

각 채널을 통해 수신되는 상기 면허 사용자의 신호의 에너지값을 기 설정된 임계값과 각기 비교하여 그에 따른 각각의 개별 센싱값을 구하는 제2과정과;

상기 각각의 개별 센싱값을 모두 더하여 그 결과 값을 메이저러티 임계값과 비교하여 최종 판정값을 획득하는 제3과정으로 이루어짐을 특징으로 한다.

본 발명은 무선 인지 시스템에서 다중안테나를 적용한 다이버시티 기법을 적용함으로써, 실제 무선통신에서 다중 경로 페이딩의 영향이 감소되어 수신 신호의 신호 대 잡음비가 향상되므로 스펙트럼 센싱의 성능이 향상되는 효과가 있다.

또한, 다중 안테나를 통해 센싱된 개별 센싱 결과 중 과반수의 결과를 최종 판정에 반영하는 메이저러티 방식을 적용하여 면허 사용자의 유,무를 판정함으로써, 앤드 방식이나 오아 방식에서의 문제점이 보완되고 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 의한 무선 인지 시스템의 다이버시티를 이용한 스펙트럼 센싱 장치의 블록도로서, 이에 도시한 바와 같이, 면허 사용자 스테이션(21)과, 다중 안테나(ANT 1~ANT M)를 구비한 비면허 사용자 시스템(22)으로 구성한다.

본 발명에서는 하나의 비면허 사용자 시스템스에 다중 안테나를 적용하여 이로 하여금 협력 스펙트럼 센싱을 수행하도록 하였다. 즉, 비면허 사용자 스테이션에 해당하는 비면허 사용자 시스템(22)에 다중 안테나(ANT 1~ANT M)를 구비하고, 이들을 통해 면허 사용자 스테이션(21)으로부터 면허 사용자의 신호들을 센싱하도록 하였다.

그리고, 상기 비면허 사용자 시스템(22)은 상기 다중 안테나(ANT 1~ANT M)를 통해 수신된 면허 사용자의 스펙트럼을 통상의 경우와 같이 융합 센터에 전송하는 것이 아니라, 자체적으로 직접 평가하여 해당 주파수 채널을 사용하는지의 여부를 판단한다.

이와 같이 다중안테나를 적용한 다이버시티 기법을 적용함으로써, 다수의 비면허 사용자에서 센싱한 개별 센싱결과를 결합하여 면허 사용자의 존재 유,무를 판단하는 협력 스펙트럼 센싱의 역할을 수행하면서, 실제 무선통신에서 다중 경로 페이딩의 영향이 감소되어 수신 신호의 신호 대 잡음비가 향상되므로 스펙트럼 센싱의 성능이 향상된다.

또한, 상기 비면허 사용자 시스템(22)은 상기 다중 안테나(ANT 1~ANT M)를 통해 수신된 면허 사용자의 스펙트럼을 직접 평가하여 해당 주파수 채널을 사용하는지의 여부를 판단할 때, 메이저러티 방식을 적용하였다.

상기 메이저러티 방식이란 상기 다중 안테나(ANT 1~ANT M)를 통해 센싱된 개별 센싱 결과 중 과반수의 결과를 최종 판정에 반영하는 방식이다. 즉, 상기 다중 안테나(ANT 1~ANT M)를 통해 센싱된 개별 센싱 결과를 상기 [수학식 1]과 같이 결합하여 산술평균값을 구하고, 이렇게 구해진 산술평균값을 임계값과 비교하여 그 비 교 결과를 근거로 면허 사용자의 유무를 판정하게 되는데, 이때의 임계값

로 설정하는 방식이다. 여기서,

은 개별 센싱 결과의 수 즉, 비면허 사용자의 수이다.

상기 메이저러티 방식을 적용하여 최종적으로 면허 사용자의 유,무에 관한 판정을 함으로써, 통상의 앤드 방식이나 오아 방식에서의 문제점이 보완되고 신뢰성이 향상된다.

한편, 도 3을 참조하여 본 발명에 의한 스펙트럼 센싱 방법의 처리과정에 대해 설명하면 다음과 같다.

먼저, 비면허 사용자 시스템(22)은 상기 다중 안테나(ANT 1~ANT M)를 통해 면허 사용자 스테이션(21)으로부터의 면허 사용자의 신호

를 수신한다.(S1)

이후, 상기 다중 안테나(ANT 1~ANT M)의 각 대응 채널을 통해 수신된 상기 면허 사용자의 신호

의 에너지

를 기 설정된 임계값

와 비교하여 그에 따른 각각의 개별 센싱값

를 구한다.(S2,S3)

예를 들어, 상기 에너지

가 상기 임계값

보다 크거나 같으면 상기 개별 센싱값

를 '1'로 출력하고, 작으면 '0'으로 출력하며, 나머지의 에너지

에 대해서도 동일한 방식으로 임계값

와 비교하여 그에 따른 각각의 개별 센싱값

를 출력한다.

이어서, 상기 각각의 개별 센싱값

를 모두 더하여(

)이 결과값을 본 발명에 따른 메이저러티 임계값

과 비교하여 최종 판정값

를 얻게 된다.(S4,S5)

이때, 상기 결과값이 상기 메이저러티 임계값

보다 크거나 같으면 상기 최종 판정값

를 '1'로 출력하고, 작으면 '0'으로 출력한다. 상기 최종 판정값

가 1이면 면허 사용자가 존재하는 것을 의미하고, 0이면 존재하지 않음을 의미한다.

여기서,

,

,

은 헤비사이드 계단 함수,

,

의 관계가 성립한다.

도 4 및 도 5는 신호 대 잡음비에 따른 종래의 협력 스펙트럼 센싱과 본 발명의 다이버시티를 적용한 스펙트럼 센싱간의 성능 비교를 나타낸 것이다. 단, 협력 스펙트럼 센싱에서 면허 사용자와 비면허 사용자 사이의 거리, 다이버시티를 적용한 스펙트럼 센싱에서 면허 사용자와 비면허 사용자에 적용된 안테나 사이의 거리를 같다고 가정하였다.

도 4는 최종 판정 방식으로 앤드 방식을 적용한 것이고, 도 5는 최종 판정 방식으로 오아 방식을 적용한 것이다. 여기서, "FC"는 종래 기술에 의한 협력 스펙트럼 센싱의 검출확률을 의미하는 것으로, 본 발명의 안테나 다이버시티를 적용한 스펙트럼 센싱의 검출 확률과 비교해 볼 때, 본 발명에 의한 스펙트럼 센싱의 검출 확률이 그 협력 스펙트럼 센싱의 검출확률에 비하여 더 높게 나타나는 것을 알 수 있다.

상기 종래 기술에 의한 협력 스펙트럼 센싱에서 채널모델을 AWGN(Additive White Gaussian Noise)라고 가정하였지만 실제 무선채널일 경우 스펙트럼의 검출 확률은 더욱 떨어질 것이다. 따라서, 본 발명에서 제안한 다중안테나(ANT 1~ANT M)를 적용한 스펙트럼 센싱은 종래의 협력 스펙트럼 센싱에 비하여 훨씬 높은 성능을 나타 낼 것으로 예상된다.

도 6은 신호 대 잡음비에 따른 종래의 앤드/오아 판정방식과 본 발명의 메이저러티 판정 방식별 검출 확률(성능)을 나타낸 그래프이다. 이에 도시한 바와 같이 종래의 앤드/오아 판정 방식의 확률(Pd_AND),(Pd_OR)은 지나치게 높은 검출 확률을 보이거나 반대로 지나치게 낮은 검출 확률을 나타내는 것을 알 수 있다. 이에 비하여 본 발명에 의한 메이저러티 판정 방식(Pd_MJR)은 신뢰성이 있고 합당한 수치로 나타남을 알 수 있다.

도 7은 본 발명에 의한 메이저러티 판정방식을 상기 다중 안테나(ANT 1~ANT M)의 개수별 신호 대 잡음비에 적용한 경우의 검출확률을 나타낸 것이다. 즉, 도 7의 실험 결과는 메이저러티 판정방식이 적용된 안테나 다이버시티 스펙트럼 센싱에서 다중 안테나(ANT 1~ANT M)의 개수에 따른 검출 확률을 나타내고 있다. 이 실험 결과에 따르면 안테나의 개수가 4개 이상일 때는 비슷한 검출확률을 나타내고 있는 것을 알 수 있다. 이는 시스템의 복잡도와 성능 면을 고려해 보았을 때 상기 다중 안테나(ANT 1~ANT M)의 개수를 4개 이상 사용하는 것이 비효율적임을 의미한다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니라 다음의 청구범위에서 정의하는 본 발명의 기본 개념을 바탕으로 보다 다양한 실시예로 구현될 수 있으며, 이러한 실시예들 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

도 1은 종래의 인지 무선 시스템의 개략도.

도 2는 본 발명에 의한 무선 인지 시스템의 개략도.

도 3은 본 발명에 의한 무선 인지 시스템의 다이버시티를 이용한 스펙트럼 센싱 방법의 흐름도.

도 4 및 도 5는 신호 대 잡음비에 따른 종래의 협력 스펙트럼 센싱과 본 발명의 다이버시티를 적용한 스펙트럼 센싱간의 성능 비교를 나타낸 그래프.

도 6은 신호 대 잡음비에 따른 앤드/오아 판정방식과 메이저러티 판정 방식별 검출 확률을 나타낸 그래프.

도 7은 본 발명에 의한 메이저러티 판정방식을 다중 안테나의 개수별 신호 대 잡음비에 적용한 경우의 검출확률을 나타낸 그래프.

***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명***

21 : 면허 사용자 스테이션

22 : 비면허 사용자 시스템

Claims (7)

1. 면허 사용자의 신호가 송출되는 면허 사용자 스테이션과;

   다중 안테나를 통해 상기 면허 사용자의 신호를 센싱하고, 이 센싱 결과들을 결합한 결과로부터 면허 사용자의 존재 유,무를 판단하는 협력 스펙트럼 센싱의 역할을 수행하는 비면허 사용자 시스템;을 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 무선 인지 시스템의 다이버시티를 이용한 스펙트럼 센싱 장치.
2. 제1항에 있어서, 비면허 사용자 시스템은 상기 협력 스펙트럼 센싱의 역할을 수행할 때 메이저러티 판정방식을 적용하여 면허 사용자가 해당 주파수 채널을 사용하는지의 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 무선 인지 시스템의 다이버시티를 이용한 스펙트럼 센싱 장치.
3. 제2항에 있어서, 메이저러티 판정방식은 상기 다중 안테나를 통해 센싱된 개별 센싱 결과 중 과반수의 결과에 해당되는 것을 특징으로 하는 무선 인지 시스템의 다이버시티를 이용한 스펙트럼 센싱 장치.
4. 제1항에 있어서, 다중 안테나의 개수는 4개인 것을 특징으로 하는 무선 인지 시스템의 다이버시티를 이용한 스펙트럼 센싱 장치.
5. 비면허 사용자 시스템이 다중 안테나를 통해 면허 사용자 스테이션으로부터의 면허 사용자의 신호를 수신하는 제1과정과;

   각 채널을 통해 수신되는 상기 면허 사용자의 신호의 에너지값을 기 설정된 임계값과 각기 비교하여 그에 따른 각각의 개별 센싱값을 구하는 제2과정과;

   상기 각각의 개별 센싱값을 모두 더하여 그 결과값을 메이저러티 임계값과 비교하여 최종 판정값을 획득하는 제3과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무선 인지 시스템의 다이버시티를 이용한 스펙트럼 센싱 방법.
6. 제5항에 있어서, 제2과정은 상기 면허 사용자의 신호의 에너지가 기 설정된 임계값보다 크거나 같으면 개별 센싱값을 '1'로 출력하고, 작으면 '0'으로 출력하는 것을 특징으로 하는 무선 인지 시스템의 다이버시티를 이용한 스펙트럼 센싱 방법.
7. 제5항에 있어서, 제3과정은 상기 결과값이 상기 메이저러티 임계값보다 크거나 같으면 면허 사용자가 존재하는 것으로 판단하고, 작으면 면허 사용자가 존재하지 않는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 무선 인지 시스템의 다이버시티를 이용한 스펙트럼 센싱 장치.

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