KR20140092998A - 압축 센싱을 이용한 광대역 스펙트럼 센싱 방법 및 장치 - Google Patents

압축 센싱을 이용한 광대역 스펙트럼 센싱 방법 및 장치 Download PDF

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KR20140092998A
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Abstract

본 발명에 따른, 압축 센싱을 이용한 광대역 스펙트럼 센싱 방법은, 수신 신호에 MWC(modulated wideband converter)를 적용하여 샘플링 신호를 얻는 단계; 및 상기 샘플링 신호로부터 압축 센싱 복원 알고리즘을 이용하여 상기 수신 신호에 대응하는 복원 신호를 얻는 단계를 포함하고, 상기 MWC의 적용 시에 상기 수신 신호에 곱해지는 믹싱 신호는, 주기적 파형의 제1 믹싱 신호로부터 변형된 신호로서, 상기 MWC의 적용을 통하여 상기 수신 신호에서 일부 주파수 영역이 제거되도록 하는 제2 믹싱 신호를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

압축 센싱을 이용한 광대역 스펙트럼 센싱 방법 및 장치{Method and apparatus for wideband spectrum sensing using compressive sensing}
본 발명은 광대역 스펙트럼 센싱 방법 및 장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 압축 센싱을 이용한 광대역 스펙트럼 센싱 방법 및 장치에 관한 것이다.
인지 무선 시스템에서는 비어 있는 채널을 찾기 위해 채널 사용 정보를 가지고 있는 데이터베이스(DB)를 이용하거나 스펙트럼 센싱을 통해 채널 사용 현황을 파악한다. 스펙트럼 센싱의 경우 사전 정보가 없으므로 센싱하고자 하는 전 채널에 대한 스캔 과정을 통해 채널 점유 상황 및 채널 품질을 파악하여 통신 품질을 보증할 수 있다. 데이터베이스를 이용하는 경우에는 등록된 사용자의 채널 사용 정보만을 알 수 있으므로 그 외의 간섭 신호나 잡음 등으로 인해 통신 품질의 저하가 발생할 수 있기 때문에 부가적으로 채널 품질에 대한 검증이 요구된다.
일반적으로 광대역 스펙트럼 센싱에는 매우 높은 사양의 ADC(analog digital converter) 및 신호 처리 모듈이 요구되어 하드웨어 비용 및 계산량이 증가되는 문제가 있다. 또한 기존 광대역 스펙트럼 센싱 기법에서는, 높은 신호 레벨에 맞추어 AGC(auto gain control)를 수행할 경우 수신 레벨이 낮은 신호가 검출되지 않는 문제점을 해결하기 위하여, 광대역 수신을 통해 높은 레벨의 신호를 빠르게 검출하고 이때 검출되지 않은 낮은 레벨의 신호는 협대역 수신을 통하여 AGC를 조절하여 검출하는 2단계의 과정을 거친다. 따라서 이러한 광대역 스펙트럼 센싱 기법을 위하여는 광대역 수신기와 협대역 수신기가 존재해야 하므로 하드웨어 비용 및 복잡도가 큰 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 압축 센싱 기법을 이용하여, 보다 효율적이고 하드웨어 비용 및 계산량이 감소된 광대역 스펙트럼 센싱 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른, 압축 센싱을 이용한 광대역 스펙트럼 센싱 방법은, 수신 신호에 MWC(modulated wideband converter)를 적용하여 샘플링 신호를 얻는 단계; 및 상기 샘플링 신호로부터 압축 센싱 복원 알고리즘을 이용하여 상기 수신 신호에 대응하는 복원 신호를 얻는 단계를 포함하고, 상기 MWC의 적용 시에 상기 수신 신호에 곱해지는 믹싱 신호는, 주기적 파형의 제1 믹싱 신호로부터 변형된 신호로서, 상기 MWC의 적용을 통하여 상기 수신 신호에서 일부 주파수 영역이 제거되도록 하는 제2 믹싱 신호를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제2 믹싱 신호는, 상기 제1 믹싱 신호에서 상기 일부 주파수 영역에 해당하는 주파수 성분을 제거함으로써 얻어질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 샘플링 신호를 얻는 단계와 상기 복원 신호를 얻는 단계는 반복적으로 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광대역 스펙트럼 센싱 방법은, 상기 샘플링 신호의 레벨을 측정하는 단계; 및 상기 레벨 측정 결과에 따라 상기 수신 신호에 AGC(auto gain control)를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광대역 스펙트럼 센싱 방법은, 상기 복원 신호로부터 상기 수신 신호의 점유 채널을 검출하는 단계; 및 상기 제1 믹싱 신호로부터, 상기 MWC의 적용을 통하여 상기 수신 신호에서 상기 검출된 점유 채널의 주파수 영역이 제거되도록 하는 제2 믹싱 신호를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 믹싱 신호를 생성하는 것은, 상기 제1 믹싱 신호에서 상기 검출된 점유 채널의 주파수 영역에 해당하는 푸리에 계수들을 변경함으로써 달성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광대역 스펙트럼 센싱 방법은, 상기 수신 신호의 점유 채널 정보를 데이터베이스로부터 획득하는 단계; 및 상기 제1 믹싱 신호로부터, 상기 MWC의 적용을 통하여 상기 수신 신호에서 상기 획득된 점유 채널 정보의 주파수 영역이 제거되도록 하는 제2 믹싱 신호를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 믹싱 신호를 생성하는 것은, 상기 제1 믹싱 신호에서 상기 획득된 점유 채널 정보의 주파수 영역에 해당하는 푸리에 계수들을 변경함으로써 달성될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른, 압축 센싱을 이용한 광대역 스펙트럼 센싱 장치는, 수신 신호에 믹싱 신호를 곱하고 그로부터 샘플링 신호를 획득하는 MWC(modulated wideband converter); 및 상기 샘플링 신호로부터 압축 센싱 복원 알고리즘을 이용하여 상기 수신 신호에 대응하는 복원 신호를 획득하는 신호 복원부를 포함하고, 상기 믹싱 신호는, 주기적 파형의 제1 믹싱 신호로부터 변형된 신호로서, 상기 MWC를 통하여 상기 수신 신호에서 일부 주파수 영역이 제거되도록 하는 제2 믹싱 신호를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제2 믹싱 신호는, 상기 제1 믹싱 신호에서 상기 일부 주파수 영역에 해당하는 주파수 성분을 제거함으로써 얻어질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 MWC와 상기 신호 복원부는 각각 샘플링 신호의 획득과 복원 신호의 획득을 반복적으로 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광대역 스펙트럼 센싱 장치는, 상기 샘플링 신호의 레벨을 측정하는 레벨 측정부; 및 상기 레벨 측정 결과에 따라 상기 수신 신호에 AGC(auto gain control)를 수행하는 AGC부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광대역 스펙트럼 센싱 장치는, 상기 복원 신호로부터 상기 수신 신호의 점유 채널을 검출하는 점유 채널 검출부; 및 상기 제1 믹싱 신호로부터, 상기 MWC를 통하여 상기 수신 신호에서 상기 검출된 점유 채널의 주파수 영역이 제거되도록 하는 제2 믹싱 신호를 생성하는 파형 생성부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 파형 생성부는, 상기 제1 믹싱 신호에서 상기 검출된 점유 채널의 주파수 영역에 해당하는 푸리에 계수들을 변경함으로써 상기 제2 믹싱 신호를 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광대역 스펙트럼 센싱 장치는, 상기 수신 신호의 점유 채널 정보를 데이터베이스로부터 획득하는 점유 채널 획득부; 및 상기 제1 믹싱 신호로부터, 상기 MWC를 통하여 상기 수신 신호에서 상기 획득된 점유 채널 정보의 주파수 영역이 제거되도록 하는 제2 믹싱 신호를 생성하는 파형 생성부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 파형 생성부는, 상기 제1 믹싱 신호에서 상기 획득된 점유 채널 정보의 주파수 영역에 해당하는 푸리에 계수들을 변경함으로써 상기 제2 믹싱 신호를 생성할 수 있다.
상기된 본 발명에 의하면, 광대역 스펙트럼 센싱에 있어서 압축 센싱 기법을 이용하고, MWC의 적용 시에 주기적 파형의 믹싱 신호가 변형된 신호로서 수신 신호에서 일부 주파수 영역이 제거되도록 하는 변형된 믹싱 신호를 사용함으로써, 하드웨어 비용 및 계산량이 감소된다.
또한, 수신 신호에서 일부 주파수 영역이 제거된 신호의 레벨을 측정하고, 측정된 신호 레벨에 따라 AGC를 수행하기 때문에, 낮은 레벨의 신호를 포함한 다양한 레벨의 신호를 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 스펙트럼 센싱 장치의 구성을 나타낸다.
도 2는 MWC(modulated wideband converter)에서 얻어지는 샘플링 신호의 스펙트럼을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 압축 센싱을 이용한 광대역 스펙트럼 센싱 방법의 흐름도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 압축 센싱을 이용한 광대역 스펙트럼 센싱 방법의 흐름도를 나타낸다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하 설명 및 첨부된 도면들에서 실질적으로 동일한 구성요소들은 각각 동일한 부호들로 나타냄으로써 중복 설명을 생략하기로 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
우선 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 압축 센싱(compressive sensing) 기술에 관하여 간략히 소개하기로 한다.
현재까지의 정보통신 시스템은 샤논(Shannon)과 나이퀴스트(Nyquist)에 의한 샘플링 이론을 바탕으로 설계된 디지털 시스템이다. 여기서 샘플링 이론이란, 샘플링 주파수는 표현할 수 있는 정보의 양에 비례하는데 신호의 최고 주파수의 2배 이상으로 샘플링해야만 그 신호를 정확하게 다시 복원할 수 있다는 원리이다. 그러나 압축 센싱 기술은 일정 조건이 만족하는 경우 신호를 나이퀴스트 샘플링 율보다 적은 샘플링 율로 샘플링하더라도 신호를 복원할 수 있는 경우를 다루고 있다. 압축 센싱은, 어떤 신호가 특정 도메인으로 변환되면 대부분의 값이 0인 성긴(sparse) 특성을 가지고 있다면, 선형 측정이라는 과정을 통해 나이퀴스트 샘플링 율보다 적은 샘플링 주파수로 샘플링하더라도 원 신호를 거의 완벽하게 복원할 수 있는 기술이다. 따라서 압축 센싱 기술에 의하면 하드웨어 비용 및 크기를 줄일 수 있다.
압축 센싱은 기본적으로 선형 측정 과정과 신호 복원 과정으로 나눌 수 있다. 선형 측정 과정은 신호 취득 과정으로, 원래의 신호
Figure pat00001
로부터 어떤 행렬
Figure pat00002
를 이용한 투영 과정을 통해 변형시킨 신호
Figure pat00003
를 얻는 과정이다. 여기서,
Figure pat00004
는 [1×N], 는 [1×M] 그리고
Figure pat00006
는 [M×N] 행렬이고, M<N이다. 이를 수학식으로 표현하면 다음과 같다.
Figure pat00007
신호 복원 과정은
Figure pat00008
로부터 원 신호인
Figure pat00009
를 찾는 과정으로, 원 신호에서 0이 아닌 값들의 수를 sparsity라 정의하고 이를 K로 표현할 때, N>M>2K의 조건을 만족할 경우 L1-norm 최소화 문제를 이용하면
Figure pat00010
를 완벽하게 복원할 수 있다는 것이 증명된 바 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 스펙트럼 센싱 방법 및 장치는, 압축 센싱 방식의 하나인 MWC(modulated wideband converter)를 이용한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 스펙트럼 센싱 장치의 구성을 나타낸다.
본 발명의 이해를 더욱 돕기 위하여, 상기 MWC(modulated wideband converter)에 관하여 간략히 설명하기로 한다. 도 1을 참조하면, MWC(130)는 M개의 샘플링 채널로 이루어지는데, 즉 M개의 곱셈기들(131), M개의 저역통과필터들(132), 그리고 M개의 ADC들(133)로 이루어진다. 신호 x(t)는 M개의 채널에 동시에 입력된다. i (1≤i≤M) 번째 채널에서, x(t)는 주기 Tp를 가지는 주기적인 믹싱 신호 Ai(t)와 곱해진다. 믹싱된 신호는 ADC(133)의 샘플링 주파수 이상의 대역폭을 가지는 저역통과필터(132)를 통과하고, 필터링된 신호는 샘플링 율 fs=1/Ts로 샘플링된다. 각 채널의 샘플링 율은 광대역 신호의 나이퀴스트 샘플링 주파수보다 훨씬 낮은 값으로, 따라서 일반적으로 광대역 스펙트럼 센싱에서 요구되는 높은 사양의 ADC가 아니라 현존하는 상용 ADC가 사용된다.
i 번째 채널에서, 믹싱 신호 Ai(t)는 주기가 Tp이므로 푸리에 전개(Fourier expansion)에 의해 다음과 같이 표현된다.
Figure pat00011
여기서, cil은 Ai(t)의 푸리에 계수를 나타낸다.
x(t)와 믹싱 신호 Ai(t)를 곱한 결과인
Figure pat00012
의 푸리에 변환은 다음과 같이 계산된다.
Figure pat00013
따라서, 저역통과필터(132)로의 입력은, 주파수 영역에서 살펴보면 X(f)가 fp 단위로 시프트된 복사본들의 선형 결합이라 할 수 있다. i 번째 채널의 ADC에서 출력되는 샘플링 신호 yi[n]의 이산-시간 푸리에 변환(DTFT)은 다음과 같이 표현된다.
Figure pat00014
여기서 fP=1/TP 이고, Fs=[-fs/2, +fs/2] 이며, L0는 다음과 같다.
Figure pat00015
여기서, fNYQ는 x(t)의 나이퀴스트 율(Nyquist rate)이다.
따라서, yi[n]의 스펙트럼은 도 2와 같이 나타내어질 수 있다. 즉, yi[n]의 스펙트럼은 x(t)의 연이은 fp 길이의 스펙트럼 조각들이 시프트되어 중첩된 에너지들로 구성된다. 그리고 채널 i 마다 서로 다른 선형 결합이 형성된다.
이제 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 스펙트럼 센싱 장치에 관하여 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 광대역 스펙트럼 센싱 장치는, 주파수 하향 변환기(110), AGC부(120), MWC(130), 레벨 측정부(140), 신호 복원부(150), 점유 채널 검출부(160), 파형 생성부(170), 점유 채널 획득부(180)를 포함하여 이루어진다.
주파수 하향 변환기(110)는 안테나를 통하여 수신된 신호를 주파수 하향 변환하여 베이스밴드 신호를 출력한다.
AGC부(120)는 주파수 하향 변환기(110)로부터의 수신 신호에 대하여, 수신 신호의 레벨 또는 후술할 레벨 측정부(140)에서 측정된 신호 레벨에 따라 AGC(auto gain control)를 수행한다. 여기서 AGC는 x(t)의 신호 레벨이 ADC들(133)의 다이나믹 레인지(dynamic range)에 맞춰지도록 수행될 수 있다. AGC부(120)는, 레벨 측정부(140)의 피드백에 따라 AGC를 수행할 수 있다.
MWC(130)는 AGC부(120)로부터의 수신 신호 x(t)에 M개의 샘플링 채널을 통하여 믹싱 신호를 곱하고 그로부터 샘플링 신호를 획득한다.
레벨 측정부(140)는 MWC(130)의 샘플링 신호의 레벨을 측정한다.
신호 복원부(150)는, MWC(130)의 샘플링 신호로부터 압축 센싱 복원 알고리즘을 이용하여 수신 신호에 대응하는 복원 신호를 획득한다. 압축 센싱 복원 알고리즘으로는 전술한 바와 같은 L1-norm 최소화 문제 등의 공지된 알고리즘이 사용된다.
점유 채널 검출부(160)는 신호 복원부(150)의 복원 신호로부터 수신 신호의 점유 채널을 검출한다. 점유 채널 검출부(160)는 예컨대, 고속 푸리에 변환(FFT)을 통하여 복원 신호의 스펙트럼을 구하고, 스펙트럼 값이 소정의 기준값을 초과하는 주파수 영역을 구하여, 해당 주파수 영역을 점유 채널로 검출할 수 있다.
파형 생성부(170)는 MWC(130)가 수신 신호에 곱할 믹싱 신호를 생성하여 MWC(130)에 제공한다.
점유 채널 획득부(180)는 점유 채널 정보를 가지고 있는 데이터베이스가 있는 경우, 데이터베이스로부터 수신 신호의 점유 채널 정보를 획득한다.
본 발명의 실시예에서, AGC부(120), MWC(130), 레벨 측정부(140), 신호 복원부(150), 점유 채널 검출부(160), 파형 생성부(170)는 재귀적, 반복적으로 동작한다.
본 발명의 일 실시예에서 점유 채널 정보를 가지고 있는 데이터베이스가 없는 경우, MWC(130)는 처음에는 전술한 MWC의 동작과 마찬가지로 수신 신호에 주기적 파형의 믹싱 신호를 곱한다. 즉, 파형 생성부(170)는 처음에는 MWC(130)에 주기적 파형의 믹싱 신호 A1(t), A2(t), ..., AM(t)를 제공한다.
그러나 두 번째 반복부터는, 수신 신호에 곱해지는 믹싱 신호는, 주기적 파형의 믹싱 신호가 변형된 신호로서, MWC(130)를 통하여 수신 신호에서 점유 채널 검출부(160)에 의해 검출된 점유 채널의 주파수 영역이 제거되도록 하는 변형된 믹싱 신호가 된다. 이를 위하여, 파형 생성부(170)는 점유 채널 검출부(160)의 점유 채널 검출 결과를 바탕으로, 주기적 파형의 믹싱 신호에서 점유 채널의 주파수 영역에 해당하는 주파수 성분을 제거함으로써 변형된 믹싱 신호를 생성하여 이를 MWC(130)에 제공할 수 있다. 이처럼 주기적 파형의 믹싱 신호에서 특정 주파수 영역에 해당하는 주파수 성분을 제거하는 것은, 예컨대 주기적 파형의 믹싱 신호에서 특정 주파수 영역에 해당하는 푸리에 계수들을 변경함으로써 달성될 수 있다. 보다 구체적으로는 해당 푸리에 계수 값들을 0으로 만들거나 상대적으로 매우 작은 값으로 만듦으로써 달성될 수 있다. 즉, 주기적 파형의 믹싱 신호 Ai(t)는 모든 채널들의 신호를 중첩시키므로, Ai(t)를 위와 같이 변형함으로써 모든 채널들 중 점유 채널이 제외된 채널들의 신호가 중첩되도록 하는 것이다. 이렇게 변형된 믹싱 신호 A' i(t)는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00016
여기서, ch_Occupied는 점유 채널의 주파수 영역을 나타내고, 따라서 l∈ch_Occupied는 점유 채널의 주파수 영역에 속하는 인덱스를 나타낸다. 따라서 c il (l∈ch_Occupied)은
Figure pat00017
의 푸리에 계수들 중 점유 채널의 주파수 영역에 해당하는 푸리에 계수들을 의미한다.
MWC(130)에서 Ai(t) 대신에 A' i(t)를 x(t)에 곱하게 되면, 모든 채널들의 신호가 중첩된 것에서 점유 채널에 해당하는 신호가 제거되므로, MWC(130)에서는 결국, 검출된 점유 채널 이외의 채널들의 신호에 대해서만 압축 센싱이 이루어지는 결과가 된다.
이와 같이 주기적 파형의 원래의 믹싱 신호에서 점유 채널의 주파수 영역에 해당하는 주파수 성분을 제거함으로써, MWC(130)의 샘플링 신호는 수신 신호에서 점유 채널의 주파수 영역이 제거된 신호가 된다. 그리고 레벨 측정부(140)는 이렇게 점유 채널의 주파수 영역이 제거된 신호의 신호 레벨을 측정하고 이를 AGC부(120)로 피드백한다. 그러면 AGC부(120)는 점유 채널의 주파수 영역이 제거된 신호의 신호 레벨에 따라 AGC를 수행하게 된다.
광대역 신호의 경우 대역이 넓어서 다양한 크기의 신호가 존재할 수 있는데, 큰 신호를 기준으로 AGC가 수행되면 낮은 레벨의 신호는 검출하기 어려운 문제가 있다. 따라서 전술한 바와 같이 종래에는 큰 신호를 기준으로 AGC를 수행한 후, 센싱 결과, 신호가 존재하지 않는다고 판단한 채널에 대해서는 실제 신호가 존재하지 않는 것인지 아니면 큰 신호를 기준으로 한 AGC로 인해 낮은 레벨의 신호를 검출하지 못한 것인지를 구분하기 위해, 협대역 단위로 센싱을 재수행하였다. 이로 인하여 광대역 수신기 외에 협대역 수신기가 추가적으로 요구되었다.
그러나 본 실시예에 의하면, 우선 큰 신호를 기준으로 AGC가 수행되고, 점유 채널을 검출한 뒤에는 MWC의 적용 시에 곱해지는 믹싱 신호의 변형을 통해 점유 채널의 주파수 영역을 제거하고, 점유 채널이 제거된 신호가 수신되면 그 수신 신호 레벨에 따라 AGC가 수행되는 과정이 반복된다. 따라서 최초 또는 이전 단계에서 검출되지 못한 낮은 레벨의 신호 혹은 잡음 레벨을 기준으로 AGC가 수행되므로 검출되지 못했던 낮은 레벨의 신호도 검출이 가능하게 된다. 즉, 본 실시예는, 우선 상대적으로 큰 신호 레벨에 맞춰 AGC가 수행되고 점유 채널을 검출한 후, 다음 수신 신호에서는 이미 검출된 채널의 신호가 소거되도록 하여, 이전 AGC를 통하여는 검출되지 못했지만 남아 있는 신호 중 높은 레벨의 신호에 맞추어 AGC가 수행되도록 하는 단계적인 AGC 기법인 것이다.
본 발명의 다른 실시예에서 점유 채널 정보를 가지고 있는 데이터베이스가 제공되는 경우, MWC(130)는 처음에 수신 신호에 주기적 파형의 믹싱 신호를 곱하는 것이 아니라, 처음부터 주기적 파형의 믹싱 신호가 변형된 신호로서, MWC(130)를 통하여 수신 신호에서 점유 채널 정보에 따른 주파수 영역이 제거되도록 하는 변형된 믹싱 신호를 곱한다. 이를 위하여, 파형 생성부(170)는 점유 채널 획득부(180)의 점유 채널 정보 획득 결과를 바탕으로, 주기적 파형의 믹싱 신호에서 데이터베이스로부터 얻어진 점유 채널의 주파수 영역에 해당하는 주파수 성분을 제거함으로써 변형된 믹싱 신호를 생성하여 이를 MWC(130)에 제공할 수 있다. 전술한 바와 마찬가지로, 주기적 파형의 믹싱 신호에서 특정 주파수 영역에 해당하는 주파수 성분을 제거하는 것은, 주기적 파형의 믹싱 신호에서 특정 주파수 영역에 해당하는 푸리에 계수들을 변경함으로써, 예컨대 해당 푸리에 계수 값들을 0 또는 상대적으로 매우 작은 값으로 변경함으로써 달성될 수 있다. 이렇게 변형된 믹싱 신호 A' i(t)는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00018
여기서, ch_DB는 데이터베이스로부터 획득된 점유 채널 정보의 주파수 영역을 나타내고, 따라서 l∈ch_DB는 데이터베이스로부터 획득된 점유 채널 정보의 주파수 영역에 속하는 인덱스를 나타낸다. 따라서 c il (l∈ch_DB)은
Figure pat00019
의 푸리에 계수들 중 데이터베이스로부터 획득된 점유 채널의 주파수 영역에 해당하는 푸리에 계수들을 의미한다.
이와 같이 데이터베이스에 미리 등록된 점유 채널의 정보를 알고 있는 경우 믹싱 신호의 변형을 통해 계산량을 줄일 수 있다. 다시 말하면, 데이터베이스의 점유 채널 정보를 이용하여, ADC(133) 수행 이전에 사전 처리를 통해, 데이터베이스로부터 얻어진 점유 채널에 해당하는 신호를 수신 신호에서 제외시키는 것이다. 만일 데이터베이스로부터 얻어진 점유 채널의 개수를 K'라 하고 수신 신호의 sparsity를 K라 한다면, MWC(130)에서 실제로 처리되는 신호의 sparsity는 (K-K’)로 줄어들게 되어 데이터베이스의 사전 정보를 가지지 않는 경우보다 계산량이 (K-K’)/K의 비율로 줄어들게 된다.
즉, 처음부터 MWC(130)에서 Ai(t) 대신에 A' i(t)를 x(t)에 곱하게 되면, 모든 채널들의 신호가 중첩된 것에서 데이터베이스로부터 얻어진 점유 채널에 해당하는 신호가 제거되므로, MWC(130)에서는 결국, 데이터베이스로부터 얻어진 점유 채널 이외의 채널들의 신호에 대해서만 압축 센싱이 이루어진 것이 된다. 결국 데이터베이스의 사전 정보를 이용하지 않은 경우와 비교할 때 수신 채널의 개수가 2K에서 2(K-K’)으로 줄어들어 전체 계산량이 줄어들게 된다.
기존의 광대역 스펙트럼 센싱 기법에서는 데이터베이스로부터 사전에 등록된 점유 채널 정보를 얻을 수 있는 경우라도 이와 무관하게 광대역의 신호를 수신하여 처리할 수 밖에 없었다. 그러나 본 발명의 실시예에 의하면 믹싱 신호의 변형을 통해 MWC(130)에서 데이터베이스로부터 얻어진 점유 채널을 제외하고 처리하게 되므로, 샘플 수가 줄어들고 나아가 신호 복원, 점유 채널 검출 과정 등에서 계산량이 줄어들게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 압축 센싱을 이용한 광대역 스펙트럼 센싱 방법의 흐름도로서, 점유 채널 정보를 가지고 있는 데이터베이스가 없는 경우의 실시예이다. 본 실시예에 따른 광대역 스펙트럼 센싱 방법은 전술한 광대역 스펙트럼 센싱 장치에서 수행되는 단계들로 이루어지는 바, 앞에서와 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
S310단계에서, 광대역 스펙트럼 센싱 장치는 안테나를 통하여 신호를 수신한다.
S315단계에서, 주파수 하향 변환기(110)는 수신된 신호를 베이스밴드로 주파수 하향 변환한다.
S320단계에서, AGC부(120)는 수신 신호에 대하여 AGC(auto gain control)를 수행한다. AGC는 계속적, 반복적으로 수행되는데, 처음에는 수신 신호의 레벨에 따라 AGC가 수행되고, 이후에는 MWC 적용 후의 후술할 S335단계에서 측정된 신호 레벨에 따라 AGC가 수행된다.
한편, S325단계에서, 파형 생성부(170)는 MWC(130)가 수신 신호에 곱할 믹싱 신호를 생성한다. S325단계는 반복적으로 수행되는데, 최초에는 주기적 파형의 믹싱 신호가 생성된다. 다만, 이러한 주기적 파형의 믹싱 신호는 본 단계를 통하여 생성되는 것이 아니라 미리 마련될 수 있다.
S330단계에서, MWC(130)는 수신 신호에 S325단계로부터의 믹싱 신호를 곱하고 그로부터 샘플링 신호를 획득한다. S330단계 역시 반복적으로 수행되는데, 따라서 최초에는 주기적 파형의 믹싱 신호가 이용된다.
S335단계에서, 레벨 측정부(140)는 상기 획득된 샘플링 신호의 레벨을 측정한다. 여기서 측정된 신호 레벨은 반복되는 상기 S320단계의 AGC에 제공된다.
S340단계에서, 신호 복원부(150)는 상기 샘플링 신호로부터 압축 센싱 복원 알고리즘을 이용하여 수신 신호에 대응하는 복원 신호를 획득한다.
S345단계에서, 점유 채널 검출부(160)는 상기 복원 신호로부터 수신 신호의 점유 채널을 검출한다. 이때 점유 채널 검출부(160)는 고속 푸리에 변환을 통하여 복원 신호의 스펙트럼을 구하고 스펙트럼 값이 소정의 기준값을 초과하는 주파수 영역을 구하여, 해당 주파수 영역을 점유 채널로 검출할 수 있다. 여기서 검출된 점유 채널은 반복되는 상기 S325단계에 제공된다. S345단계에서 점유 채널이 검출되면 다시 S330단계로 진행한다.
S345단계에서 점유 채널이 검출되면, S325단계에서는, 앞서 생성된 믹싱 신호를 변형하여, MWC(130)를 통해 수신 신호에서 검출된 점유 채널의 주파수 영역이 제거되도록 하는 변형된 믹싱 신호를 생성한다. 전술한 바와 같이, 이러한 변형된 믹싱 신호는, 앞서 생성된 믹싱 신호에서 점유 채널의 주파수 영역에 해당하는 주파수 성분을 제거함으로써, 예컨대 해당 푸리에 계수 값들을 0 또는 상대적으로 매우 작은 값으로 변경함으로써 얻어질 수 있다.
위와 같이 변형된 믹싱 신호는 반복되는 S330단계에 제공되며, 따라서 반복되는 S330단계에서는 AGC가 수행된 수신 신호에 이러한 변형된 믹싱 신호를 곱하고 그로부터 샘플링 신호를 획득한다.
반복되는 S330단계를 통하여 얻어지는 샘플링 신호는 수신 신호에서 점유 채널의 주파수 영역이 제거된 신호에 대응한다. 반복되는 S335단계에서는 이처럼 점유 채널의 주파수 영역이 제거된 신호의 신호 레벨이 측정되고 이것이 S320단계로 피드백되므로, S320단계에서는 점유 채널의 주파수 영역이 제거된 신호의 신호 레벨에 따라 AGC가 수행된다.
위와 같이 AGC가 이미 검출된 점유 채널의 주파수 영역이 제거된 신호의 신호 레벨에 따라 수행되므로, 반복되는 S340단계 및 S345단계에서는 이미 검출된 점유 채널을 제외한 주파수 영역에서 비교적 낮은 수신 레벨의 신호에 대하여도 신호가 복원되고 점유 채널이 검출될 수 있다.
S345단계에서 점유 채널이 검출되지 않으면, 예컨대, 복원 신호의 스펙트럼에서 스펙트럼 값이 기준값을 초과하는 주파수 영역이 더 이상 존재하지 않으면, S355단계로 진행한다.
본 발명의 실시예에서, 센싱 시간, 즉 데이터 캡쳐 시간이 미리 정해져 있을 수 있다. S355단계에서 센싱 시간이 종료되지 않았으면 전술한 과정들을 다시 반복하고, 센싱 시간이 종료되면 S360단계로 진행한다.
S360단계에서, 광대역 스펙트럼 센싱 장치는, 센싱 결과, 즉 전술한 과정들을 통하여 확인된 점유 채널의 정보를 출력한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 압축 센싱을 이용한 광대역 스펙트럼 센싱 방법의 흐름도로서, 점유 채널 정보를 가지고 있는 데이터베이스가 제공되는 경우의 실시예이다. 본 실시예에 따른 광대역 스펙트럼 센싱 방법 역시 전술한 광대역 스펙트럼 센싱 장치에서 수행되는 단계들로 이루어지는 바, 앞에서와 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 실시예는 도 3을 통하여 설명한 실시예가 일부 변형된 것이므로, 도 3을 통하여 설명한 실시예와의 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
도 3을 통하여 설명한 실시예에서는, 최초의 S330단계에서, 수신 신호에 주기적 파형의 믹싱 신호를 곱하고 그로부터 샘플링 신호를 획득한다.
그러나 본 실시예에서는, 점유 채널 정보를 가지고 있는 데이터베이스가 제공되므로, S305단계에서 점유 채널 획득부(180)는 데이터베이스로부터 점유 채널 정보를 획득한다. 그리고 최초의 S327단계에서, 미리 마련되거나 생성된 주기적 파형의 믹싱 신호를 변형하여, MWC(130)를 통해 수신 신호에서 데이터베이스로부터 얻어진 점유 채널의 주파수 영역이 제거되도록 하는 변형된 믹싱 신호를 생성하고, 이렇게 변형된 믹싱 신호가 최초의 S330단계에 제공된다. 전술한 바와 같이, 이러한 변형된 믹싱 신호는, 주기적 파형의 믹싱 신호에서 점유 채널의 주파수 영역에 해당하는 주파수 성분을 제거함으로써, 예컨대 해당 푸리에 계수 값들을 0 또는 상대적으로 매우 작은 값으로 변경함으로써 얻어질 수 있다. 이후의 S327단계에서는, 도 3의 반복되는 S325단계에서와 마찬가지로, 앞서 생성된 믹싱 신호로부터, 검출된 점유 채널에 기초하여 변형된 믹싱 신호를 생성한다.
따라서 최초의 S330단계에서, MWC(130)는 수신 신호에 주기적 파형의 믹싱 신호에서 데이터베이스로부터 획득된 점유 채널의 주파수 영역이 제거된 믹싱 신호를 곱하고 그로부터 샘플링 신호를 획득하게 된다. 그리고 이후의 S330단계에서는, 앞서 얻어진 믹싱 신호에서 S345단계를 통하여 검출된 점유 채널의 주파수 영역이 제거된 믹싱 신호가 이용된다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (16)

  1. 압축 센싱을 이용한 광대역 스펙트럼 센싱 방법에 있어서,
    수신 신호에 MWC(modulated wideband converter)를 적용하여 샘플링 신호를 얻는 단계; 및
    상기 샘플링 신호로부터 압축 센싱 복원 알고리즘을 이용하여 상기 수신 신호에 대응하는 복원 신호를 얻는 단계를 포함하고,
    상기 MWC의 적용 시에 상기 수신 신호에 곱해지는 믹싱 신호는, 주기적 파형의 제1 믹싱 신호로부터 변형된 신호로서, 상기 MWC의 적용을 통하여 상기 수신 신호에서 일부 주파수 영역이 제거되도록 하는 제2 믹싱 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 스펙트럼 센싱 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 믹싱 신호는, 상기 제1 믹싱 신호에서 상기 일부 주파수 영역에 해당하는 주파수 성분을 제거함으로써 얻어지는 것을 특징으로 하는 광대역 스펙트럼 센싱 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 샘플링 신호를 얻는 단계와 상기 복원 신호를 얻는 단계는 반복적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 광대역 스펙트럼 센싱 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 샘플링 신호의 레벨을 측정하는 단계; 및
    상기 레벨 측정 결과에 따라 상기 수신 신호에 AGC(auto gain control)를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 스펙트럼 센싱 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 복원 신호로부터 상기 수신 신호의 점유 채널을 검출하는 단계; 및
    상기 제1 믹싱 신호로부터, 상기 MWC의 적용을 통하여 상기 수신 신호에서 상기 검출된 점유 채널의 주파수 영역이 제거되도록 하는 제2 믹싱 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 스펙트럼 센싱 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 믹싱 신호를 생성하는 것은, 상기 제1 믹싱 신호에서 상기 검출된 점유 채널의 주파수 영역에 해당하는 푸리에 계수들을 변경함으로써 달성되는 것을 특징으로 하는 광대역 스펙트럼 센싱 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수신 신호의 점유 채널 정보를 데이터베이스로부터 획득하는 단계; 및
    상기 제1 믹싱 신호로부터, 상기 MWC의 적용을 통하여 상기 수신 신호에서 상기 획득된 점유 채널 정보의 주파수 영역이 제거되도록 하는 제2 믹싱 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 스펙트럼 센싱 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 믹싱 신호를 생성하는 것은, 상기 제1 믹싱 신호에서 상기 획득된 점유 채널 정보의 주파수 영역에 해당하는 푸리에 계수들을 변경함으로써 달성되는 것을 특징으로 하는 광대역 스펙트럼 센싱 방법.
  9. 압축 센싱을 이용한 광대역 스펙트럼 센싱 장치에 있어서,
    수신 신호에 믹싱 신호를 곱하고 그로부터 샘플링 신호를 획득하는 MWC(modulated wideband converter); 및
    상기 샘플링 신호로부터 압축 센싱 복원 알고리즘을 이용하여 상기 수신 신호에 대응하는 복원 신호를 획득하는 신호 복원부를 포함하고,
    상기 믹싱 신호는, 주기적 파형의 제1 믹싱 신호로부터 변형된 신호로서, 상기 MWC를 통하여 상기 수신 신호에서 일부 주파수 영역이 제거되도록 하는 제2 믹싱 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 스펙트럼 센싱 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 믹싱 신호는, 상기 제1 믹싱 신호에서 상기 일부 주파수 영역에 해당하는 주파수 성분을 제거함으로써 얻어지는 것을 특징으로 하는 광대역 스펙트럼 센싱 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 MWC와 상기 신호 복원부는 각각 샘플링 신호의 획득과 복원 신호의 획득을 반복적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 광대역 스펙트럼 센싱 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 샘플링 신호의 레벨을 측정하는 레벨 측정부; 및
    상기 레벨 측정 결과에 따라 상기 수신 신호에 AGC(auto gain control)를 수행하는 AGC부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 스펙트럼 센싱 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 복원 신호로부터 상기 수신 신호의 점유 채널을 검출하는 점유 채널 검출부; 및
    상기 제1 믹싱 신호로부터, 상기 MWC를 통하여 상기 수신 신호에서 상기 검출된 점유 채널의 주파수 영역이 제거되도록 하는 제2 믹싱 신호를 생성하는 파형 생성부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 스펙트럼 센싱 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 파형 생성부는, 상기 제1 믹싱 신호에서 상기 검출된 점유 채널의 주파수 영역에 해당하는 푸리에 계수들을 변경함으로써 상기 제2 믹싱 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 광대역 스펙트럼 센싱 장치.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 수신 신호의 점유 채널 정보를 데이터베이스로부터 획득하는 점유 채널 획득부; 및
    상기 제1 믹싱 신호로부터, 상기 MWC를 통하여 상기 수신 신호에서 상기 획득된 점유 채널 정보의 주파수 영역이 제거되도록 하는 제2 믹싱 신호를 생성하는 파형 생성부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 스펙트럼 센싱 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 파형 생성부는, 상기 제1 믹싱 신호에서 상기 획득된 점유 채널 정보의 주파수 영역에 해당하는 푸리에 계수들을 변경함으로써 상기 제2 믹싱 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 광대역 스펙트럼 센싱 장치.
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