KR20120125806A - 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국 및 이차 송신국의 통신 방법 - Google Patents

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엄중선
정회윤
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임선민
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Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 이차 송신국의 통신 방법은 다중 안테나에 기반한 다중 입출력 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국의 통신 방법에 있어서, 일차 시스템이 사용하고 있는 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 각각에서 이차 송신국 및 일차 사용자 사이의 간섭 채널을 추정하는 단계; 상기 간섭 채널로부터 상기 일차 사용자에서 간섭을 제거하기 위한 직교 투영 행렬을 계산하는 단계; 상기 직교 투영 행렬을 기초로 상기 이차 송신국 및 이차 수신국 사이의 실효 채널을 계산하는 단계; 및 상기 직교 투영 행렬 및 상기 실효 채널을 기초로 상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계를 포함한다.

Description

인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국 및 이차 송신국의 통신 방법{A SECONDARY RECEIVER INCLUDED IN A COGNITIVE RADIO BASE STATION AND A COMMUNICATION METHOD OF THE SECONDARY RECEIVER}
아래의 실시예들은 다중 안테나에 기반한 다중 입출력(multiple-input multiple-output, MIMO) 인지 무선(cognitive radio, CR) 통신 시스템 및 선형 어레이 안테나를 이용한 빔 형성에 기반한 다중 입출력 인지 무선 통신 시스템에서 이차 송신국(인지 무선 기지국)의 통신 방법에 관한 것이다.
최근 고속 무선 데이터 서비스의 수요가 증가됨에 따라 제한된 스펙트럼을 효율적으로 사용하기 위해 허가되지 않은 이차 사용자(Secondary User; SU)가 기존 일차 사용자(Primary User; PU)에 의해 사용되지 않는 스펙트럼 밴드에 접속하여 통신을 수행하는 인지 무선(Cognitive radio, CR) 통신 시스템이 많은 주목을 받고 있다. 다만, 인지 무선 통신 시스템에서 이차 사용자는 특정 스펙트럼 밴드에 허가된 기존의 일차 시스템(Primary System)의 통신을 방해하지 않아야 하는 조건을 만족해야 한다.
따라서, 인지 무선 통신 시스템에서 이차 사용자는 일차 사용자가 사용하지 않는 스펙트럼 밴드를 센싱하고, 일차 사용자가 사용하지 않는 스펙트럼 밴드 중 자신에게 유리한 밴드를 선택하여 통신한다.
하지만 도심 지역으로 갈수록 스펙트럼 밴드에 대한 수요가 많아 일차 사용자가 사용하지 않는 스펙트럼 밴드를 찾는 것이 어려워진다. 그러므로, 일차 사용자가 사용하지 않는 스펙트럼 밴드뿐만 아니라 일차 사용자가 차지하고 있는 스펙트럼 밴드도 함께 사용함으로써 이차 사용자가 선택할 수 있는 스펙트럼 밴드의 폭을 넓히는 동시에, 인지 무선 통신 시스템의 용량을 증가시킬 수 있는 방법 및 장치가 요구된다.
본 발명의 일 실시예는 다중 입출력(multiple-input multiple-output, MIMO) 인지 무선(cognitive radio, CR) 통신 시스템에서 일차 통신 시스템을 보호하는 동시에 채널 용량을 개선할 수 있는 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국 및 이차 송신국의 통신 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 인지 무선 통신 시스템에서 신호를 전송하기 위해 최적화된 스펙트럼 밴드를 선택할 수 있는 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국 및 이차 송신국의 통신 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 선형 어레이 안테나를 이용한 빔 형성에 기반한 다중 입출력 인지 무선 통신 시스템에서 일차 통신 시스템을 보호하는 동시에 최적화된 스펙트럼 밴드를 선택할 수 있는 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국 및 이차 송신국의 통신 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 인지 무선 통신 시스템이 사용하고 있는 스펙트럼 밴드를 일차 사용자가 사용하려고 하는 경우에 인지 무선 통신 시스템이 옮겨가야 하는 스펙트럼 밴드에 대한 백업 채널을 관리할 수 있는 다중 입출력 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국 및 이차 송신국의 통신 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 송신국의 통신 방법은 다중 안테나에 기반한 다중 입출력 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국의 통신 방법에 있어서, 일차 시스템이 사용하고 있는 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 각각에서 이차 송신국 및 일차 사용자 사이의 간섭 채널을 추정하는 단계; 상기 간섭 채널로부터 상기 일차 사용자에서 간섭을 제거하기 위한 직교 투영 행렬을 계산하는 단계; 상기 직교 투영 행렬을 기초로 상기 이차 송신국 및 이차 수신국 사이의 실효 채널을 계산하는 단계; 및 상기 직교 투영 행렬 및 상기 실효 채널을 기초로 상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계를 포함한다.
상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계는 상기 직교 투영 행렬, 및 상기 실효 채널을 기초로 상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계일 수 있다.
상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계는 상기 직교 투영 행렬, 및 상기 실효 채널을 기초로 상기 이차 송신국의 채널 용량이 최대가 되도록 상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계일 수 있다.
상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계는 상기 실효 채널의 채널 이득이 최대가 되도록 상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계이고, 상기 선택된 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스에서 상기 이차 송신국의 채널 용량이 최대가 되도록 송신 신호의 공분산을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 일차 사용자가 사용하고 있지 않은 제2 스펙트럼 밴드에 대하여 상기 직교 투영 행렬을 상기 일차 사용자의 안테나 개수에 대응되는 항등 행렬(Identity matrix)로 대체하는 단계를 더 포함하고, 상기 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계는 상기 항등 행렬 및 상기 실효 채널을 기초로 상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계일 수 있다.
상기 실효 채널의 채널 이득이 최대인 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스부터 순서대로 백업 채널 리스트에 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 일차 사용자가 상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 각각을 사용하는지 여부와 무관하게 사용 가능한 스펙트럼 밴드들을 센싱 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 사용 가능한 스펙트럼 밴드들 중 상기 일차 사용자가 사용하지 않는 적어도 하나의 제2 스펙트럼 밴드가 존재하는지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 일차 사용자가 사용하지 않는 적어도 하나의 제2 스펙트럼 밴드가 존재하면, 상기 적어도 하나의 제2 스펙트럼 밴드 중 실효 채널의 채널 이득이 최대가 되는 제2 스펙트럼 밴드의 인덱스를 상기 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스로 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 송신국의 통신 방법은 선형 어레이 안테나를 이용한 빔 형성에 기반한 다중 입출력 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국의 통신 방법에 있어서, 일차 시스템이 사용하고 있는 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 각각에서 이차 송신국 및 일차 사용자 사이의 도래각을 추정하는 단계; 상기 도래각에 기초한 어레이 응답 행렬로부터 상기 일차 사용자에서 간섭을 제거하기 위한 직교 투영 행렬을 계산하는 단계; 상기 직교 투영 행렬을 기초로 상기 이차 송신국 및 이차 수신국 사이의 실효 채널(Effective channel)을 계산하는 단계; 및 상기 직교 투영 행렬 및 상기 실효 채널을 기초로 상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계를 포함한다.
상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계는 상기 직교 투영 행렬, 및 상기 실효 채널을 기초로 상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계일 수 있다.
상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계는 상기 직교 투영 행렬, 및 상기 실효 채널을 기초로 상기 이차 송신국의 채널 용량이 최대가 되도록 상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계일 수 있다.
상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계는 상기 실효 채널의 채널 이득이 최대가 되도록 상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계이고, 상기 선택된 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스에서 상기 이차 송신국의 채널 용량이 최대가 되도록 송신 신호의 공분산을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 일차 사용자가 사용하고 있지 않은 제2 스펙트럼 밴드에 대하여 상기 직교 투영 행렬을 상기 일차 사용자의 방향으로 널(Null)을 준 직교 투영 행렬로 대체하는 단계를 더 포함하고, 상기 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계는 상기 일차 사용자의 방향으로 널(Null)을 준 직교 투영 행렬 및 상기 실효 채널을 기초로 상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계일 수 있다.
상기 실효 채널의 채널 이득이 최대인 상기 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스부터 순서대로 백업 채널 리스트에 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 이차 송신국 및 상기 일차 사용자 사이의 도래각을 추정하는 단계는 상기 일차 사용자의 스펙트럼 밴드로부터 상기 이차 송신국으로 들어오는 도래각(Angle of arrival, AOA) 또는 다중 경로를 통해서 반사되어 상기 이차 송신국으로 들어오는 도래각을 추정하는 단계일 수 있다.
상기 도래각을 추정하는 단계는 위치 정보(geolocation) 또는 데이터베이스에 저장된 상기 선형 어레이 안테나의 안테나 간 위상차 및 안테나 이득을 이용하여 상기 도래각을 추정하는 단계일 수 있다.
상기 일차 사용자가 상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 각각을 사용하는지 여부와 무관하게 사용 가능한 스펙트럼 밴드들을 센싱 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 사용 가능한 스펙트럼 밴드들 중 상기 일차 사용자가 사용하지 않는 적어도 하나의 제2 스펙트럼 밴드가 존재하는지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 일차 사용자가 사용하지 않는 적어도 하나의 제2 스펙트럼 밴드가 존재하면, 상기 적어도 하나의 제2 스펙트럼 밴드 중 실효 채널의 채널 이득이 최대가 되는 제2 스펙트럼 밴드의 인덱스를 상기 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스로 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 송신국은 다중 안테나에 기반한 다중 입출력 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국에 있어서, 일차 시스템이 사용하고 있는 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 각각에서 이차 송신국 및 일차 사용자 사이의 간섭 채널을 추정하는 간섭 채널 추정부; 상기 간섭 채널로부터 상기 일차 사용자에서 간섭을 제거하기 위한 직교 투영 행렬을 계산하고, 상기 직교 투영 행렬을 기초로 상기 이차 송신국 및 이차 수신국 사이의 실효 채널을 계산하는 계산부; 및 상기 직교 투영 행렬 및 상기 실효 채널을 기초로 상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 선택부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 송신국은 선형 어레이 안테나를 이용한 빔 형성에 기반한 다중 입출력 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국에 있어서, 일차 시스템이 사용하고 있는 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 각각에서 이차 송신국 및 일차 사용자 사이의 도래각을 추정하는 도래각 추정부; 상기 도래각에 기초한 어레이 응답 행렬로부터 상기 일차 사용자에서 간섭을 제거하기 위한 직교 투영 행렬을 계산하고, 상기 직교 투영 행렬을 기초로 상기 이차 송신국 및 이차 수신국 사이의 실효 채널(Effective channel)을 계산하는 계산부; 및 상기 직교 투영 행렬 및 상기 실효 채널을 기초로 상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 선택부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 인지 무선 통신 시스템에서 신호를 전송하기 위해 일차 사용자가 사용하지 않는 스펙트럼 밴드뿐만 아니라 일차 사용자가 차지하고 있는 스펙트럼 밴드도 함께 사용함으로써 이차 사용자가 선택할 수 있는 스펙트럼 밴드의 폭을 넓히는 동시에, 인지 무선 통신 시스템의 용량을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전처리 과정을 수행함으로써 일차 통신 시스템을 보호하는 동시에 최적화된 스펙트럼 밴드를 선택할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 인지 무선 통신 시스템이 사용하고 있는 스펙트럼 밴드를 일차 사용자가 사용하려고 하는 경우에 인지 무선 통신 시스템이 옮겨가야 하는 스펙트럼 밴드에 대한 백업 채널을 관리함으로써 신속하게 스펙트럼 밴드의 변경을 수행할 수 있다.
도 1은 일반적인 인지 무선 네트워크의 시스템 블록도이다.
도 2는 일반적인 인지 무선 네트워크에서 모든 스펙트럼 밴드가 비지(Busy)일 때의 일차 시스템 및 이차 시스템의 접속 기법을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 입출력 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국의 통신 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 입출력 인지 무선 통신 시스템에서의 스펙트럼 접속 기법의 동작을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 어레이 안테나(a)를 이용한 빔 형성 기반의 인지 무선 통신 시스템의 동작(b)을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 어레이 안테나를 사용하는 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국의 통신 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 어레이 안테나를 이용한 스펙트럼 접속 기법의 동작을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 입출력 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국의 통신 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 선형 어레이 안테나를 사용하는 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국의 통신 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 입출력 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국의 블록도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 선형 어레이 안테나를 사용하는 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국의 블록도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 입출력 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국에서 스펙트럼 밴드가 비어 있을 확률(P)이 0.4일 때의 채널 용량을 비교한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 입출력 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국에서 스펙트럼 밴드가 비어 있을 확률(P)이 0.2일 때의 채널 용량을 비교한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 전처리(preprocessing)를 수행하기 전과 수행한 후의 빔 패턴을 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 어레이 안테나를 사용하는 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국에서 스펙트럼 밴드가 비어 있을 확률(P)이 0.4 일 때의 채널 용량을 비교한 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 일 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
이하에서 특정 스펙트럼(주파수) 밴드에 허가된 기존의 통신 시스템을 '일차(Primary) 시스템'이라고 한다. 그리고, 인지 무선(Cognitive Radio, CR) 통신에 의해 일차 시스템의 특정 스펙트럼 밴드를 사용하는 허가되지 않은 통신 시스템을 '이차(Secondary) 시스템' 이라고 한다. 또한, 일차 시스템의 단말(수신국)을 '일차 사용자' 인지 무선 기지국을 '이차 송신국', 인지 무선 단말을 '이차 수신국' 또는 '이차 사용자'라고 한다.
도 1은 일반적인 인지 무선 네트워크의 시스템 블록도이고, 도 2는 일반적인 인지 무선 네트워크에서 모든 스펙트럼 밴드가 비지(Busy)일 때의 일차 시스템 및 이차 시스템의 접속 기법을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 하나의 안테나를 가진 여러 개의 일차 사용자들(115,115 )과 이차 송, 수신국(131,135)이 각각 하나씩 있는 환경을 고려할 수 있다.
이때, 일차 시스템(110)에는 총 K 개의 스펙트럼 밴드가 있으며 각각의 밴드는 Mk 일차 사용자들(115,115')이 접속하고 있다고 가정한다. 또한, K 번째 스펙트럼 밴드가 일차 사용자들(115,115')에 의해 사용되지 않을 확률을 Pk라고 한다. 따라서 도심 지역에서는 Pk가 낮으며 시골 지역에서는 Pk가 높게 된다. 이하에서는 설명의 간편성을 위해 Mk = 1이라 두지만,Mk > 1에 대해서도 확장이 가능하다.
이차 송신국(131)은 Nt (Nt > maxk Mk)개의 다중 안테나를 가지고 있으며 이차 수신국(135)은 Nr 개의 안테나를 가지고 있다고 가정한다.
또한, k 번째 밴드에서 일차 사용자(115)에서 이차 송신국(131)까지의 채널(이하,'간섭 채널')을 g(k)∈ CNt x 1 라고 두며, 각각의 성분들은 독립적 zero-mean Gaussian 확률 분포를 띈다고 가정한다.
반면, 이차 송신국(131)에서 이차 수신국(135)까지의 채널은 H(k) ∈ CNr x Nt라고 두며, 분산 1을 가지는 독립적인 zero-mean Gaussian 확률 분포를 띈다고 가정한다.
따라서 이차 수신국(135)에서 k 번째 밴드를 통해 수신한 신호 y(k) ∈ CNr x 1 는 아래의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
여기서 x(k)∈ CNtx1은 이차 송신국(131)에서 보낸 신호이며, n(k)∈ CNrx1는 공분산 행렬 σ2 Ⅰ Nr을 가지는 Complex white Gaussian 잡음 벡터이다.
일반적으로 스펙트럼 접속 기술에서는 스펙트럼 센싱을 통해 각 스펙트럼 밴드에서 수신 신호 세기 지표(received signal strength indicator, RSSI) 즉,
Figure pat00002
를 측정하고, 측정된 수신 신호 세기 지표를 이용하여 에너지 검파기를 통해 비어있는 스펙트럼 밴드를 검파한다.
또한, 일차 사용자(115)는 일차 송신국(111)과 주고 받는 신호의 고유 특성을 이용하여 비어있는 스펙트럼 밴드를 검파할 수도 있다.
그 후, 이차 시스템(130)은 일차 사용자(115)의 비어있는 스펙트럼 밴드 중에 이차 시스템(130)의 채널 정보에 따라 최적화된 스펙트럼 밴드를 선택하게 되며, 선택된 최적화된 스펙트럼 밴드에서 다중 입출력 통신 기법을 통해 이차 시스템(130)의 송신 신호 x(k)를 설계할 수 있다.
만약, 도 2와 같이 일차 시스템(210)의 모든 스펙트럼 밴드가 일차 송신국(211)과 일차 사용자(215)에 의해 사용되는 경우, 일반적으로 이차 시스템(230)(이차 송신국(231) 및 이차 수신국(235))은 슬립 모드(Sleep Mode)로 들어가거나 사용 가능한 스펙트럼 밴드를 검파할 때까지 기다리게 된다. 특히 도심 지역에서는 이 같은 현상이 빈번하게 발생되며, 이는 곧 시스템의 용량 저하로 나타나게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 입출력 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국의 통신 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
이하에서는 설명의 편의를 위하여 스펙트럼 밴드들 중 현재 일차 사용자에 의해 사용 중인 스펙트럼 밴드를 '제1 스펙트럼 밴드'라 하고, 현재 일차 사용자에 의해 사용 중이지 않은(즉, 비어 있는) 스펙트럼 밴드를 '제2 스펙트럼 밴드'라고 한다. 제1 스펙트럼 밴드와 제2 스펙트럼 밴드는 항상 고정되는 것이 아니라 일차 사용자의 사용 여부에 따라 변경될 수 있다.
이차 송신국은 일차 사용자가 적어도 하나의 스펙트럼 밴드 각각을 사용하는지 여부와 무관하게 사용 가능한 모든 스펙트럼 밴드들 또는 일부 스펙트럼 밴드들을 센싱할 수 있다(310).
이차 송신국은 스펙트럼 밴드들을 센싱하는 과정에서 일차 사용자가 사용하고 있지 않는 스펙트럼 밴드와 일차 사용자가 사용하고 있는 밴드를 구분할 수 있다.
이차 송신국은 일차 사용자가 스펙트럼 밴드를 사용하고 있는지 여부를 판단할 수 있다(320).
320에서 일차 사용자가 스펙트럼 밴드를 사용하고 있다면, 이차 송신국은 일차 시스템이 사용하고 있는 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 각각에서 이차 송신국 및 일차 사용자 사이의 간섭 채널
Figure pat00003
을 추정한다(330). 이차 송신국은 일차 사용자가 사용하고 있는 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 스펙트럼 밴드에 대해 블라인드 채널 추정 기법을 이용하여 간섭 채널
Figure pat00004
를 추정할 수 있다.
그 후, 이차 송신국은 간섭 채널
Figure pat00005
로부터 일차 사용자에서 간섭을 제거하기 위한 직교 투영 행렬
Figure pat00006
을 계산한다(340).
이차 송신국은 일차 사용자에 간섭을 주지 않기 위해서 송신 신호
Figure pat00007
를 채널
Figure pat00008
에 직교하게 설계한다. 따라서
Figure pat00009
는 아래의 [수학식 2]와 같은 형태를 가진다.
Figure pat00010
여기서,
Figure pat00011
는 송신하고자 하는 심볼이고
Figure pat00012
는 직교 투영 행렬(Orthogonal Projection matrix)이다.
직교 투영 행렬
Figure pat00013
는 아래의 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00014
여기서
Figure pat00015
는
Figure pat00016
의 켤레 전치(conjugate transpose)를 뜻한다.
상술한 [수학식 2]를 통해 일차 사용자에서 이차 송신국까지의 채널로 송신 신호를 널링(Nulling)시키는 과정을 일차 사용자에 대한 간섭을 제거하기 위한 '전처리'과정이라고 한다. 또한, 전처리 과정을 통해 이차 송신국의 송신 신호는 일차 사용자에게 간섭을 주지 않게 되기 때문에(즉,
Figure pat00017
이므로) 일차 사용자의 스펙트럼 밴드에 대한 사용 여부에 상관 없이 이차 송신국은 실효 채널을
Figure pat00018
로 설정하고 이 실효 채널에 적합한
Figure pat00019
, 즉 보다 정확하게는 송신 신호의 공분산
Figure pat00020
를 설계할 수 있다.
이차 송신국은 직교 투영 행렬
Figure pat00021
을 기초로 이차 송신국 및 이차 수신국 사이의 실효 채널
Figure pat00022
을 계산하고, 직교 투영 행렬 및 실효 채널을 기초로 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스
Figure pat00023
를 선택한다(350).
따라서, 350에서 이차 송신국은 직교 투영 행렬
Figure pat00024
, 및 실효 채널
Figure pat00025
을 기초로 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스
Figure pat00026
를 선택할 수 있고, 선택된 밴드에 적합한 송신 신호의 공분산
Figure pat00027
를 설계할 수 있다.
보다 구체적으로 직교 투영 행렬, 및 실효 채널을 기초로 이차 송신국의 채널 용량
Figure pat00028
이 최대가 되도록 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택할 수 있고, 선택된 밴드에 적합한 송신 신호의 공분산
Figure pat00029
를 설계할 수 있다.
이차 송신국은 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택함에 있어 실효 채널의 채널 이득이 최대가 되도록 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택할 수 있다. 이 경우, 이차 송신국은 선택된 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스에서 이차 송신국의 채널 용량이 최대가 되도록 송신 신호의 공분산을 조절(또는 설계)할 수 있다(360).
360에서는 아래의 [수학식 4]와 같이 채널 용량을 최대로 하도록 스펙트럼 밴드 인덱스
Figure pat00030
와 송신 신호의 공분산
Figure pat00031
를 공동으로(jointly) 구할 수 있다.
Figure pat00032
여기서, 채널 용량
Figure pat00033
는 아래의 [수학식 5]와 같이 주어진다.
Figure pat00034
여기서
Figure pat00035
이다.
따라서
Figure pat00036
는 실효 채널(effective channel)
Figure pat00037
에 대해 Water-filling 방식으로 구할 수 있으며 각각의
Figure pat00038
에 대해 최적화된
Figure pat00039
을 구한 뒤, 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스
Figure pat00040
을 선택할 수 있다.
하지만 이는 모든 스펙트럼 밴드에 대해
Figure pat00041
를 구해야 하기 때문에 계산량이 많이 든다.
따라서, 계산량을 줄이기 위해 아래의 [수학식 6]과 같이 실효 채널 (effective channel)
Figure pat00042
의 프로베니우스 놈(Frobenius norm) 또는 실효 채널의 채널 이득이 최대가 되도록 선택하는 저복잡도 방식에 의해 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스
Figure pat00043
를 구할 수도 있다.
Figure pat00044
[수학식 6]을 이용하면 선택된
Figure pat00045
번째 밴드에서만 실효 채널 용량이 최대가 되도록
Figure pat00046
을 설계(조절)할 수 있으므로 모든 스펙트럼 밴드들에 대해
Figure pat00047
를 구해야 하는 계산량을 줄일 수 있게 된다.
만약, 320에서 일차 사용자가 스펙트럼 밴드를 사용하고 있지 않다면, 일차 사용자가 사용하고 있지 않는 밴드의 경우
Figure pat00048
로 두면 된다. 여기서,
Figure pat00049
는
Figure pat00050
항등 행렬(Identity Matrix)이다.
즉, 이차 송신국은 일차 사용자가 사용하고 있지 않은 스펙트럼 밴드(즉, 제2 스펙트럼 밴드)에 대하여 직교 투영 행렬을 일차 사용자의 안테나 개수(Nt)에 대응되는 항등 행렬(Identity matrix)로 대체할 수 있다(370). 이러한 경우, 350에서는 항등 행렬 및 실효 채널을 기초로 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하게 된다.
또한, 이차 송신국은 이차 사용자가 사용하고 있는 채널에 일차 사용자가 들어오게 되면 사용 중이던 스펙트럼 밴드를 비워주고 다른 밴드로 옮겨가야 한다. 그러므로, 이러한 이동을 신속하게 수행하기 위해 이차 시스템은 백업(Back-up) 채널 리스트(또는 스펙트럼 밴드 인덱스(index))를 이용한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 350에서 [수학식 6]과 같이 프로베니우스 놈(Frobenius norm) 또는 실효 채널의 채널 이득이 최대인 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스부터 순서대로 스펙트럼 밴드들의 인덱스를 백업 채널 리스트에 저장 및 관리할 수 있다(380). 즉 일차 사용자의 출현으로 이차 사용자가 옮겨가기 위한 채널의 우선 순위는 실효 채널의 채널 이득이 큰 순서대로 결정함으로써 신속하고 효율적으로 채널 변경을 수행할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 입출력 인지 무선 통신 시스템에서의 스펙트럼 접속 기법의 동작을 나타낸 도면이다.
다중 안테나를 가진 이차 시스템의 스펙트럼 센싱 및 접속 동작은 크게 두 개의 Phase로 나눌 수 있다. Phase 1에서는 사용 가능한 스펙트럼을 센싱하는 과정과 함께 간섭 채널
Figure pat00051
을 추정한다. 이때 이차 송신국은 일차 사용자의 송신 데이터 프레임을 모르기 때문에 블라인드 방식을 통해 간섭 채널을 추정할 수 있다.
Phase 2에서는 추정한 간섭 채널
Figure pat00052
을 바탕으로 일차 사용자에게 간섭을 주지 않기 위해 일차 사용자에서 간섭을 제거하기 위한 전처리(preprocessing)와 스펙트럼 밴드의 선택을 수행하게 된다.
상술한 바와 같이 다중 입출력 안테나를 이용한 스펙트럼 접속 기술의 경우 일차 사용자에서 이차 송신국까지의 간섭 채널
Figure pat00053
를 추정해야 하는 과정이 필요하다.
하지만 간섭 채널을 추정하는 과정은 구현이 쉽지 않고 많은 오차가 발생할 수 있다. 따라서, 간섭 채널의 추정 과정을 필요로 하지 않는 선형 어레이 안테나를 이용한 인지 무선 통신 시스템에 대해 살펴본다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 어레이 안테나(a)를 이용한 빔 형성 기반의 인지 무선 통신 시스템의 동작(b)을 나타낸 도면이다.
일 실시예에서는 도 5와 같이 선형 어레이 안테나를 고려하지만 선형이 아닌 일반적인 형태의 어레이 안테나에도 적용이 가능하다.
선형 어레이 안테나를 이용할 경우, 간섭 채널
Figure pat00054
는 아래의 [수학식 7]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00055
여기서,
Figure pat00056
로 어레이 응답 벡터이고,
Figure pat00057
는 채널 이득이다. 또한,
Figure pat00058
는
Figure pat00059
번째 밴드에서 일차 사용자의 도래각(Angle of arrival, AOA)이고,
Figure pat00060
는 어레이 안테나에서의 안테나 간의 간격이며,
Figure pat00061
는 안테나 신호의 파장이다.
이차 송신국은 도 5(b)와 같이 도래각
Figure pat00062
정보만 있으면 일차 사용자의 방향으로 널(Null)을 줘서 이차 송신국의 신호가 일차 사용자에게 간섭을 주지 않도록 빔(Beam)을 형성할 수 있다. 이처럼 널(Null)을 주는 직교 투영 행렬
Figure pat00063
는 상술한 [수학식 3]과 유사하게 아래의 [수학식 8]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00064
이때, 도래각
Figure pat00065
은 일차 사용자와 이차 송신국 간의 LOS(line of sight) 뿐만 아니라 다중 경로를 통해 반사해서 들어오는 도래각일 수 있다. 따라서, [수학식 8]에서는 하나의 도래각
Figure pat00066
에 대한 직교 투영 행렬을 구했지만, 복수의 1차 사용자나 다중 경로를 통한 다수의 도래각들에 대한 직교 투영 행렬은 아래의 [수학식 9]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00067
여기서
Figure pat00068
로 해당 도래각들의 어레이 응답 벡터
Figure pat00069
들을 쌓은 어레이 응답 행렬이다.
다중 안테나 기반의 스펙트럼 접속 기법에서 채널을 추정하는 과정과 달리, 어레이 안테나 기반의 스펙트럼 접속 기법에서는 도래각
Figure pat00070
를 추정하기 위해 이차 송신국의 위치 정보(Geolocation) 또는 일차 사용자의 위치가 저장된 데이터베이스(Database)를 이용할 수 있다. 선형 어레이 안테나를 사용하는 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국의 보다 구체적인 동작에 대하여는 도 6을 참조하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 어레이 안테나를 사용하는 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국의 통신 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
이차 송신국은 이차 송신국의 위치 관련 정보를 저장할 수 있다(610). 여기서, 이차 송신국의 위치 관련 정보는 이차 송신국의 위치 정보(geolocation) 또는 이차 송신국에 설치된 어레이 안테나의 안테나 간 위상차 및 안테나 이득을 포함할 수 있다.
이차 송신국은 일차 사용자가 적어도 하나의 스펙트럼 밴드 각각을 사용하는지 여부와 무관하게 사용 가능한 모든 스펙트럼 밴드들 또는 일부 스펙트럼 밴드들을 센싱할수 있다(620).
이차 송신국은 스펙트럼 밴드들에 대한 센싱 과정에서 일차 사용자가 사용하고 있지 않는 스펙트럼 밴드와 일차 사용자가 사용하고 있는 스펙트럼 밴드를 구분할 수 있다.
이차 송신국은 일차 사용자가 스펙트럼 밴드를 사용하고 있는지 여부를 판단할 수 있다(630).
630에서 일차 사용자가 스펙트럼 밴드를 사용하고 있다면, 이차 송신국은 일차 시스템이 사용하고 있는 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 각각에서 이차 송신국 및 일차 사용자 사이의 도래각
Figure pat00071
을 추정한다(640).
640에서 이차 송신국은 일차 사용자의 스펙트럼 밴드로부터 이차 송신국으로 들어오는 도래각(Angle of arrival, AOA) 또는 다중 경로를 통해서 반사되어 이차 송신국으로 들어오는 도래각을 추정을 추정할 수 있다.
또한, 이차 송신국은 위치 정보(geolocation) 또는 데이터베이스에 저장된 선형 어레이 안테나의 안테나 간 위상차 및 안테나 이득을 이용하여 도래각을 추정할 수 있다.
그 후, 이차 송신국은 도래각
Figure pat00072
에 기초한 어레이 응답 행렬
Figure pat00073
로부터 일차 사용자에서 간섭을 제거하기 위한 직교 투영 행렬
Figure pat00074
을 계산한다(650).
이차 송신국은 직교 투영 행렬
Figure pat00075
을 기초로 이차 송신국 및 이차 수신국 사이의 실효 채널
Figure pat00076
을 계산하고, 직교 투영 행렬
Figure pat00077
및 실효 채널
Figure pat00078
을 기초로 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스
Figure pat00079
를 선택한다(660).
이차 송신국은 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스
Figure pat00080
를 선택함에 있어 실효 채널
Figure pat00081
의 채널 이득이 최대가 되도록 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택할 수 있다. 이 경우, 이차 송신국은 선택된 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스에서 이차 송신국의 채널 용량
Figure pat00082
이 최대가 되도록 송신 신호의 공분산
Figure pat00083
을 조절(또는 설계)할 수 있다(670).
660에서 이차 송신국은 직교 투영 행렬, 및 실효 채널을 기초로 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택할 수 있고, 선택된 밴드에 적합한 송신 신호의 공분산
Figure pat00084
를 설계할 수 있다.
보다 구체적으로 직교 투영 행렬, 및 실효 채널을 기초로 이차 송신국의 채널 용량
Figure pat00085
이 최대가 되도록 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택할 수 있다.
만약, 630에서 일차 사용자가 스펙트럼 밴드를 사용하고 있지 않다면, 이차 송신국은 일차 사용자가 사용하고 있지 않은 제2 스펙트럼 밴드에 대하여 직교 투영 행렬을 일차 사용자의 안테나 개수(Nt)에 대응되는 항등 행렬(Identity matrix)로 대체할 수 있다 (680). 일차 사용자가 스펙트럼 밴드를 사용하고 있지 않다면 일차 사용자의 방향으로 널(Null)을 줄 필요가 없기 때문이다. 만약, 일차 사용자가 스펙트럼 밴드를 사용하고 있다면, 직교 투영 행렬을 일차 사용자의 방향으로 널을 준 직교 투영 행렬로 대체할 수 있다.
680과 같은 경우, 660에서는 일차 사용자의 안테나 개수(Nt)에 대응되는 항등 행렬(Identity matrix) 및 실효 채널을 기초로 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하게 된다.
또한, 이차 송신국은 660에서 선택한 실효 채널의 채널 이득이 최대인 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스부터 순서대로 스펙트럼 밴드들의 인덱스들을 백업 채널 리스트에 저장할 수 있다(690).
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 어레이 안테나를 이용한 스펙트럼 접속 기법의 동작을 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 선형 어레이 안테나를 이용한 빔 형성 기반의 스펙트럼 접속 기법의 동작을 볼 수 있다. Phase 1에서 이차 송신국은 위치 정보(Geolocation)와 데이터베이스(Database) 접속을 이용해서 도래각
Figure pat00086
에 대한 정보를 추정한다.
그 뒤, 이차 송신국은 Phase 2에서는 전처리 과정([수학식 8] 또는 [수학식 9] 이용)과 스펙트럼 밴드 선택을 수행한다.
상술한 도 3 및 도 6에서는 일차 사용자가 스펙트럼 밴드를 사용하는지 여부에 상관 없이 사용 가능한 모든 스펙트럼 밴드에 대해 실효 채널의 채널 이득을 바탕으로 최적화된 밴드를 선택하였다. 하지만, 상술한 실시예들에 더하여 이차 송신국은 일차 사용자가 사용하지 않는 제2 스펙트럼 밴드들이 존재할 때에는 그 비어있는 제2 스펙트럼 밴드들 중에서 최적화된(또는 채널 이득이 가장 큰) 제2 스펙트럼 밴드를 선택하고, 비어있는 제2 스펙트럼 밴드가 없을 때에만 실효 채널의 채널 이득이 최대가 되는 제1 스펙트럼 밴드를 선택하여 접속할 수도 있다.
즉, 이차 송신국은 처음에는 비어있는 스펙트럼 밴드가 없어 실효 채널이 최대가 되는 제1 스펙트럼 밴드에서 동작하다가, 비어있는 제2 스펙트럼 밴드가 생기면 비어있는 제2 스펙트럼 밴드로 이동할 수 있다. 상술한 통신 방법에 대하여는 도 8 및 도 9의 플로우 차트 각각을 통해 설명한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 입출력 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국의 통신 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
이차 송신국은 일차 사용자가 적어도 하나의 스펙트럼 밴드 각각을 사용하는지 여부와 무관하게 사용 가능한 스펙트럼 밴드들을 센싱할수 있다(810).
이차 송신국은 사용 가능한 스펙트럼 밴드들 중 현재 일차 사용자가 사용하지 않는 적어도 하나의 제2 스펙트럼 밴드가 존재하는지 여부를 판단할 수 있다(820).
820에서 현재 일차 사용자가 사용하지 않는 적어도 하나의 제2 스펙트럼 밴드가 존재하지 않는다면, 이차 송신국은 현재 일차 시스템이 사용하고 있는 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 각각에서 이차 송신국 및 일차 사용자 사이의 간섭 채널을 추정한다(830).
그 후, 이차 송신국은 간섭 채널로부터 일차 사용자에서 간섭을 제거하기 위한 직교 투영 행렬을 계산한다(840).
이차 송신국은 직교 투영 행렬을 기초로 이차 송신국 및 이차 수신국 사이의 실효 채널을 계산하고, 직교 투영 행렬 및 실효 채널을 기초로 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택한다(850).
이차 송신국은 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택함에 있어 실효 채널의 채널 이득이 최대가 되도록 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택할 수 있다. 이 경우, 이차 송신국은 선택된 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스에서 이차 송신국의 채널 용량이 최대가 되도록 송신 신호의 공분산을 조절(또는 설계)할 수 있다(860).
850에서 이차 송신국은 직교 투영 행렬, 및 실효 채널을 기초로 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택할 수 있다.
보다 구체적으로 직교 투영 행렬, 및 실효 채널을 기초로 이차 송신국의 채널 용량이 최대가 되도록 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택할 수 있다.
만약, 820에서 일차 사용자가 사용하지 않는 적어도 하나의 제2 스펙트럼 밴드가 존재한다면, 이차 송신국은 일차 사용자가 사용하고 있지 않은 적어도 하나의 제2 스펙트럼 밴드 중 실효 채널의 채널 이득이 최대가 되는 제2 스펙트럼 밴드의 인덱스를 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스로 설정할 수 있다(870). 이때, 860에서는 실효 채널의 채널 이득이 최대가 되는 제2 스펙트럼 밴드의 인덱스에서 이차 송신국의 채널 용량이 최대가 되도록 송신 신호의 공분산을 조절(또는 설계)할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 선형 어레이 안테나를 사용하는 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국의 통신 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
이차 송신국은 이차 송신국의 위치 관련 정보를 저장할 수 있다(910). 여기서, 이차 송신국의 위치 관련 정보는 이차 송신국의 위치 정보(geolocation) 또는 이차 송신국에 설치된 어레이 안테나의 안테나 간 위상차 및 안테나 이득을 포함할 수 있다.
이차 송신국은 일차 사용자가 적어도 하나의 스펙트럼 밴드 각각을 사용하는지 여부와 무관하게 사용 가능한 스펙트럼 밴드들을 센싱할수 있다(920).
이차 송신국은 사용 가능한 스펙트럼 밴드들 중 일차 사용자가 사용하지 않는 적어도 하나의 제2 스펙트럼 밴드가 존재하는지 여부를 판단할 수 있다(930).
930에서 일차 사용자가 사용하지 않는 적어도 하나의 제2 스펙트럼 밴드가 존재하지 않으면, 이차 송신국은 현재 일차 시스템이 사용하고 있는 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 각각에서 이차 송신국 및 일차 사용자 사이의 도래각을 추정한다(940).
그 후, 이차 송신국은 도래각에 기초한 어레이 응답 행렬로부터 일차 사용자에서 간섭을 제거하기 위한 직교 투영 행렬을 계산한다(950).
이차 송신국은 직교 투영 행렬을 기초로 이차 송신국 및 이차 수신국 사이의 실효 채널을 계산하고, 직교 투영 행렬 및 실효 채널을 기초로 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택한다(960).
이차 송신국은 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택함에 있어 실효 채널의 채널 이득이 최대가 되도록 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택할 수 있다. 이 경우, 이차 송신국은 선택된 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스에서 이차 송신국의 채널 용량이 최대가 되도록 송신 신호의 공분산을 조절(또는 설계)할 수 있다(970).
960에서 이차 송신국은 직교 투영 행렬, 및 실효 채널을 기초로 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택할 수 있다.
보다 구체적으로 직교 투영 행렬, 및 실효 채널을 기초로 이차 송신국의 채널 용량이 최대가 되도록 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택할 수 있다.
만약, 930에서 일차 사용자가 사용하지 않는 적어도 하나의 제2 스펙트럼 밴드가 존재하면, 이차 송신국은 적어도 하나의 제2 스펙트럼 밴드 중 실효 채널의 채널 이득이 최대가 되는 제2 스펙트럼 밴드의 인덱스를 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스로 설정할 수 있다(980).
이 경우, 970에서는 실효 채널의 채널 이득이 최대가 되는 제2 스펙트럼 밴드의 인덱스에서 이차 송신국의 채널 용량이 최대가 되도록 송신 신호의 공분산을 조절(또는 설계)할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 입출력 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국의 블록도이다.
도 10을 참조하면, 다중 입출력 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국(1000)은 간섭 채널 추정부(1010), 계산부(1030) 및 선택부(1050)를 포함할 수 있다.
간섭 채널 추정부(1010)는 일차 시스템이 사용하고 있는 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 각각에서 이차 송신국 및 일차 사용자 사이의 간섭 채널을 추정한다.
계산부(1030)는 간섭 채널로부터 일차 사용자에서 간섭을 제거하기 위한 직교 투영 행렬을 계산하고, 직교 투영 행렬을 기초로 이차 송신국 및 이차 수신국 사이의 실효 채널을 계산한다.
선택부(1050)는 직교 투영 행렬 및 실효 채널을 기초로 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택한다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 선형 어레이 안테나를 사용하는 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국의 블록도이다.
도 11을 참조하면, 선형 어레이 안테나를 사용하는 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국(1100)은 도래각 추정부(1110), 계산부(1130) 및 선택부(1150)를 포함할 수 있다.
도래각 추정부(1110)는 일차 시스템이 사용하고 있는 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 각각에서 이차 송신국 및 일차 사용자 사이의 도래각을 추정한다.
계산부(1130)는 도래각에 기초한 어레이 응답 행렬로부터 일차 사용자에서 간섭을 제거하기 위한 직교 투영 행렬을 계산하고, 직교 투영 행렬을 기초로 이차 송신국 및 이차 수신국 사이의 실효 채널(Effective channel)을 계산한다.
선택부(1150)는 직교 투영 행렬 및 실효 채널을 기초로 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택한다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 입출력 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국에서 스펙트럼 밴드가 비어 있을 확률(P)이 각각 0.4 및 0.2 일 때의 채널 용량을 비교한 그래프이다.
도 12 및 도 13에서, 다중 입출력 인지 무선 통신 시스템에는 총 5개의 스펙트럼 밴드가 존재하고(
Figure pat00087
), 이차 송, 수신국의 안테나 개수는 각각
Figure pat00088
,
Figure pat00089
라고 가정한다. 또한, 모든
Figure pat00090
에 대해 스펙트럼 밴드가 비어있을 확률은
Figure pat00091
로 동일하다고 가정한다.
도 12는
Figure pat00092
일 때의 다중 입출력 인지 무선 통신 시스템에서의 채널 용량을 보여주고 있다.
도 12 및 도 13에서 "Proposed method with optimal band selection"은 [수학식 4]에 기반하여 모든
Figure pat00093
에 대해 채널 용량을 계산한 후, 스펙트럼 밴드 인덱스
Figure pat00094
와 송신 신호의 공분산
Figure pat00095
를 공동으로(jointly) 구한 결과이다.
또한, "Proposed method with norm-based band selection"은 [수학식 6]에 기반하여 먼저 스펙트럼 밴드 인덱스
Figure pat00096
를 결정한 뒤 스펙트럼 밴드 인덱스
Figure pat00097
에서만 채널 용량을 최대로 하는 송신 신호의 공분산
Figure pat00098
를 설계한 결과이다.
비교를 위해 일반적인 인지 무선 통신 시스템(도 1 참조)에서의 채널 용량과 일차 사용자가 존재하지 않을 때의 채널 용량도 함께 나타내었다.
도 12를 참조하면, 일차 사용자가 존재하지 않을 때의 채널 용량이 가장 크고, 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 방법들이 일반적인 통신 방법에 비해 높은 채널 용량을 보이는 것을 확인할 수 있다.
또한, [수학식 4]의 최적화된 밴드 선택 방법에 비해 [수학식 6]에 기반한 저복잡도의 밴드 선택 방법의 성능 저하는 크지 않는 것을 확인할 수 있다.
도 13은
Figure pat00099
일 때의 채널 용량을 나타내며, 도 12와 비슷한 경향을 보여주고 있으나, 일반적인 방식에 비해 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 방법에서의 성능 개선이 더욱 큰 것을 확인할 수 있다. 즉, 스펙트럼 밴드가 비어 있을 확률이 낮은 환경(예를 들면, 도심 지역)에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 송신국의 통신 방법이 훨씬 유리함을 확인할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 전처리(preprocessing) 과정을 수행하기 전과 수행한 후의 빔 패턴을 나타낸 도면이다. 도 14는 이차 송신국에서
Figure pat00100
인 선형 어레이 안테나를 이용한 경우에 전처리를 수행하기 전(a)과 전처리를 수행한 후(b)의 빔패턴을 나타낸다.
이때, 일차 사용자의 도래각을
Figure pat00101
라고 가정하면, 도 14에서 전처리 과정을 수행한 후에는 일차 사용자의 방향(
Figure pat00102
)에 널(Null)이 생긴 것을 확인할 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 어레이 안테나를 사용하는 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국에서 스펙트럼 밴드가 비어 있을 확률(P)이 0.4 일 때의 채널 용량을 비교한 그래프이다.
도 12 및 도 13과 마찬가지로 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 어레이 안테나를 사용하는 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국에서의 채널 용량이 일반적인 인지 무선 통신 시스템의 채널 용량보다 높은 것을 알 수 있다.
상술한 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통해 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가지 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110: 일차 시스템
111: 일차 송신국
115: 일차 사용자
130: 이차 시스템
131: 이차 송신국
135: 이차 수신국

Claims (20)

  1. 다중 안테나에 기반한 다중 입출력 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국의 통신 방법에 있어서,
    일차 시스템이 사용하고 있는 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 각각에서 이차 송신국 및 일차 사용자 사이의 간섭 채널을 추정하는 단계;
    상기 간섭 채널로부터 상기 일차 사용자에서 간섭을 제거하기 위한 직교 투영 행렬을 계산하는 단계;
    상기 직교 투영 행렬을 기초로 상기 이차 송신국 및 이차 수신국 사이의 실효 채널을 계산하는 단계; 및
    상기 직교 투영 행렬 및 상기 실효 채널을 기초로 상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계
    를 포함하는 이차 송신국의 통신 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계는
    상기 직교 투영 행렬, 및 상기 실효 채널을 기초로 상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계인 이차 송신국의 통신 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계는
    상기 직교 투영 행렬, 및 상기 실효 채널을 기초로 상기 이차 송신국의 채널 용량이 최대가 되도록 상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계인 이차 송신국의 통신 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계는
    상기 실효 채널의 채널 이득이 최대가 되도록 상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계
    이고,
    상기 선택된 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스에서 상기 이차 송신국의 채널 용량이 최대가 되도록 송신 신호의 공분산을 조절하는 단계
    를 더 포함하는 이차 송신국의 통신 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 일차 사용자가 사용하고 있지 않은 제2 스펙트럼 밴드에 대하여 상기 직교 투영 행렬을 상기 일차 사용자의 안테나 개수에 대응되는 항등 행렬(Identity matrix)로 대체하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계는
    상기 항등 행렬 및 상기 실효 채널을 기초로 상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계인 이차 송신국의 통신 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 실효 채널의 채널 이득이 최대인 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스부터 순서대로 백업 채널 리스트에 저장하는 단계
    를 더 포함하는 이차 송신국의 통신 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 일차 사용자가 상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 각각을 사용하는지 여부와 무관하게 사용 가능한 스펙트럼 밴드들을 센싱 하는 단계
    를 더 포함하는 이차 송신국의 통신 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 사용 가능한 스펙트럼 밴드들 중 상기 일차 사용자가 사용하지 않는 적어도 하나의 제2 스펙트럼 밴드가 존재하는지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 일차 사용자가 사용하지 않는 적어도 하나의 제2 스펙트럼 밴드가 존재하면, 상기 적어도 하나의 제2 스펙트럼 밴드 중 실효 채널의 채널 이득이 최대가 되는 제2 스펙트럼 밴드의 인덱스를 상기 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스로 설정하는 단계
    를 더 포함하는 이차 송신국의 통신 방법.
  9. 선형 어레이 안테나를 이용한 빔 형성에 기반한 다중 입출력 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국의 통신 방법에 있어서,
    일차 시스템이 사용하고 있는 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 각각에서 이차 송신국 및 일차 사용자 사이의 도래각을 추정하는 단계;
    상기 도래각에 기초한 어레이 응답 행렬로부터 상기 일차 사용자에서 간섭을 제거하기 위한 직교 투영 행렬을 계산하는 단계;
    상기 직교 투영 행렬을 기초로 상기 이차 송신국 및 이차 수신국 사이의 실효 채널(Effective channel)을 계산하는 단계; 및
    상기 직교 투영 행렬 및 상기 실효 채널을 기초로 상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계
    를 포함하는 이차 송신국의 통신 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계는
    상기 직교 투영 행렬, 및 상기 실효 채널을 기초로 상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계인 이차 송신국의 통신 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계는
    상기 직교 투영 행렬, 및 상기 실효 채널을 기초로 상기 이차 송신국의 채널 용량이 최대가 되도록 상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계인 이차 송신국의 통신 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계는
    상기 실효 채널의 채널 이득이 최대가 되도록 상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계
    이고,
    상기 선택된 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스에서 상기 이차 송신국의 채널 용량이 최대가 되도록 송신 신호의 공분산을 조절하는 단계
    를 더 포함하는 이차 송신국의 통신 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 일차 사용자가 사용하고 있지 않은 제2 스펙트럼 밴드에 대하여 상기 직교 투영 행렬을 상기 일차 사용자의 방향으로 널(Null)을 준 직교 투영 행렬로 대체하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계는
    상기 일차 사용자의 방향으로 널(Null)을 준 직교 투영 행렬 및 상기 실효 채널을 기초로 상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 단계인 이차 송신국의 통신 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 실효 채널의 채널 이득이 최대인 상기 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스부터 순서대로 백업 채널 리스트에 저장하는 단계
    를 더 포함하는 이차 송신국의 통신 방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 이차 송신국 및 상기 일차 사용자 사이의 도래각을 추정하는 단계는
    상기 일차 사용자의 스펙트럼 밴드로부터 상기 이차 송신국으로 들어오는 도래각(Angle of arrival, AOA) 또는 다중 경로를 통해서 반사되어 상기 이차 송신국으로 들어오는 도래각을 추정하는 단계인 이차 송신국의 통신 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 도래각을 추정하는 단계는
    위치 정보(geolocation) 또는 데이터베이스에 저장된 상기 선형 어레이 안테나의 안테나 간 위상차 및 안테나 이득을 이용하여 상기 도래각을 추정하는 단계인 이차 송신국의 통신 방법.
  17. 제9항에 있어서,
    상기 일차 사용자가 상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 각각을 사용하는지 여부와 무관하게 사용 가능한 스펙트럼 밴드들을 센싱 하는 단계
    를 더 포함하는 이차 송신국의 통신 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 사용 가능한 스펙트럼 밴드들 중 상기 일차 사용자가 사용하지 않는 적어도 하나의 제2 스펙트럼 밴드가 존재하는지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 일차 사용자가 사용하지 않는 적어도 하나의 제2 스펙트럼 밴드가 존재하면, 상기 적어도 하나의 제2 스펙트럼 밴드 중 실효 채널의 채널 이득이 최대가 되는 제2 스펙트럼 밴드의 인덱스를 상기 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스로 설정하는 단계
    를 더 포함하는 이차 송신국의 통신 방법.
  19. 다중 안테나에 기반한 다중 입출력 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국에 있어서,
    일차 시스템이 사용하고 있는 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 각각에서 이차 송신국 및 일차 사용자 사이의 간섭 채널을 추정하는 간섭 채널 추정부;
    상기 간섭 채널로부터 상기 일차 사용자에서 간섭을 제거하기 위한 직교 투영 행렬을 계산하고, 상기 직교 투영 행렬을 기초로 상기 이차 송신국 및 이차 수신국 사이의 실효 채널을 계산하는 계산부; 및
    상기 직교 투영 행렬 및 상기 실효 채널을 기초로 상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 선택부
    를 포함하는 이차 송신국.
  20. 선형 어레이 안테나를 이용한 빔 형성에 기반한 다중 입출력 인지 무선 통신 시스템에 포함된 이차 송신국에 있어서,
    일차 시스템이 사용하고 있는 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 각각에서 이차 송신국 및 일차 사용자 사이의 도래각을 추정하는 도래각 추정부;
    상기 도래각에 기초한 어레이 응답 행렬로부터 상기 일차 사용자에서 간섭을 제거하기 위한 직교 투영 행렬을 계산하고, 상기 직교 투영 행렬을 기초로 상기 이차 송신국 및 이차 수신국 사이의 실효 채널(Effective channel)을 계산하는 계산부; 및
    상기 직교 투영 행렬 및 상기 실효 채널을 기초로 상기 적어도 하나의 제1 스펙트럼 밴드 중 최적화된 스펙트럼 밴드의 인덱스를 선택하는 선택부
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