KR20180034417A - 스펙트럼에 대한 기회적 액세스 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 2차 사용자(secondary user)에 의한 동기식 1차 네트워크(primary network)에 전용인 주파수 대역에 대한 기회적 액세스 방법에 관한 것으로, 주파수 대역은 표시자 B_k 및 평균 가용성

가 할당되는 K 독립 채널로 분할된다.
각각의 시간 프레임 t에서, 방법은, 가장 큰 지시자 B_i(t)를 갖는 채널 i의 2차 사용자에 의한 관찰 단계(10)와,
채널 i가 바쁜(busy) 경우에, 채널 i의 평균 가용성

를 업데이트하는 단계(20) 및

의 함수로서 채널의 지시자 B_i(t)를 업데이트하는 단계(50)와,
채널 i가 자유로운(free) 경우에: 채널 i의 평균 가용성

를 업데이트하는 단계(40), 채널 i에서 프레임 t 동안 설정된 데이터 전송 단계(30), 채널 i의 품질 인덱스 R_i(t)를 계산하는 단계(60) 및 평균 가용성

과 R_i(t)의 함수로서 K 채널의 지시자 B_k(t)를 업데이트하는 단계(50)를 포함한다.

Description

스펙트럼에 대한 기회적 액세스 방법

본 발명은 스펙트럼 자원의 사용에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 무선 통신을 위한 기회적(opportunistic) 스펙트럼 액세스에 관한 것이다.

상이한 무선 통신 애플리케이션 및 서비스에 대한 주파수 대역의 정적 할당은 스펙트럼 자원의 부족을 야기하였다. 그러나, 많은 연구는 고려되는 주파수 대역의 만성적인 저활용이 있다는 것을 보여주었다. 이것은 통신에 있어서 중대한 기회를 나타낸다.

이와 연관하여, 기회적 스펙트럼 액세스의 개념이 제안되었다.

기회적 스펙트럼 액세스의 개념은 다음의 2가지 등급(class)의 사용자를 정의한다: 1차 사용자(primary user) 및 2차 사용자(secondary user). 1차 사용자는 그에 서비스에 전용되는 스펙트럼 리소스에 대한 우선적인 액세스를 가진다. 2차 사용자는, 1차 사용자와는 반대로, 주어진 시점에서 1차 사용자에 의해 활용되지 않는 스펙트럼 자원에 대한 액세스 기회를 이용하려는 비우선적(non-priority) 사용자이다.

따라서, 우선적 1차 사용자 집단에 의해 사용되고 있는 1차 네트워크(primary network)의 주파수 밴드에 대한 2차 사용자에 의한 기회적 스펙트럼 액세스 방법은 최적화될 필요가 있다.

동기식 1차 네트워크, 즉 본 개시 내용에서 시간 프레임이라고도 하는 일정한 지속 시간의 슬롯(slot) 또는 인터벌(interval)로 시간이 분할되는 네트워크만이 고려될 것이다.

1차 네트워크에 전용되는 주파수 대역은 채널이라 하는 독립적인 주파수의 K 서브 대역으로 분할된다. 각각의 시간 프레임 t 동안, 각각의 채널은, 채널이 2차 사용자가 대응하는 스펙트럼을 액세스하는 기회를 나타내는 "자유로운(free)" 상태 또는, 예를 들어, 이 특정 시간 프레임 동안 1차 사용자에 의해 사용되고 있는 "바쁜(busy)" 상태에 있다.

이하, 본 개시 내용에서, "2차 사용자"라는 용어는 자신의 환경에서, 특히 채널 k가 시간 프레임 t 중에 있는 상태에서 정보를 획득하게 할 수 있는 상이한 검출기가 제공된 무선 장치 또는 디바이스를 나타낼 것이다. 또한, 2차 사용자에는 무선 통신(송신 및 수신) 수단, 전자 메모리, 적어도 하나의 마이크로프로세서 타입의 계산 요소 및 배터리가 제공된다. 마이크로프로세서에 의해 실행되는 컴퓨터 프로그램 제품은 장치가 작동하게 한다.

2차 사용자는 시점 t에서 상이한 채널의 가용성(availability)을 알지 못하고, 시점 t에서 특정 채널 k가 사용 가능할 확률도 알지 못하는 것으로 고려된다. 스펙트럼 자원을 최적으로 사용하기 위하여, 이 사용자는 1차 네트워크의 특성을 학습하여야 하고, 특히 각 채널의 가용성의 확률을 추정하여야 할 것이다. 사용자는 처리할 많은 변수를 가질 것이다. 이러한 변수들은 사용자가 이의 환경에 대한 정보를 수집할 때 계산되고 더욱 정확하게 될 것이다. 이러한 변수들은, 예를 들어 임의의 값으로 고정되거나 아니면 각각의 채널이 적어도 한 번 스캔되는 초기화 단계의 실행에 의해 초기화되어야 한다.

강화 학습(reinforcement learning)의 규칙에 따라, 스마트 에이전트는 상태(state)에 의해 기술된 이의 환경을 관찰하고, 그 다음 이 스마트 에이전트는 행동(action)으로 이어지는 판단을 취하며, 에이전트는 행동과 상태의 함수로서 포상(reward)(보상(win)이라고도 함)을 받는다. 다양한 종래 기술에 따른 기회적 액세스 방법은 채널의 상태의 개발을 모델링하기 위하여 마코브(Markov) 의사 결정 프로세스를 이용한다.

고려되는 상황에서, 스마트 에이전트는 2차 사용자의 마이크로프로세서에 의해 실행되는 프로그램이다: 이는 이의 환경을 관찰하고, 각각의 시간 프레임에서, 이는 시간 프레임 t 동안 특정 채널 k를 이용하여 원격의 2차 사용자와 통신을 시도하도록 결정한다. 통신이 실패할 것이거나, 아니면 고려되는 프레임 t 동안 채널이 바쁜지 또는 자유로운지에 따라 수행될 것이다.

"MRB(multi-armed bandit) 모델"로 알려진 모델은 1차 네트워크의 마코브 모델에, 더욱 상세하게는, 스마트 에이전트가 상이한 승리 확률을 갖는 여러 슬롯머신 중의 하나에서 도박하도록 선택하여야 하는 카지노 도박사인 것으로 고려되는 1차 사용자에 의한 주파수 채널의 점유에 적용될 수 있는 의사 결정 과정의 하나의 특정 경우이다.

도박사가 승리 확률을 정확하게 알고 있다면, 그는 자신의 승리를 최대화하기 위하여 가장 높은 확률을 갖는 머신을 체계적으로 선택할 것이다. 그가 이 확률에 대한 선험적 지식을 가지지 않기 때문에, 그는 상이한 슬롯머신 모두에서 도박을 함으로써 이를 추정하려고 할 것이다.

고려되는 맥락에서, 각각의 채널은 자유롭게 되는 것에 대한 미지의 확률('보상'라고 함)을 갖는 슬롯머신으로서 모델링된다.

본 개시 내용에 제공된 기회적 액세스 방법은 MRB 모델에 기초한 종래 기술에 따른 방법에 비하여 평균 성능을 개선하는 것에 목적을 둔다. 더욱 구체적으로는, 적어도 하나의 실시예는 무선 장치에 의해 송신 또는 수신된 데이터의 비트 레이트를 증가시킨다. 또한, 적어도 하나의 실시예는 무선 장치의 에너지 소비를 개선한다.

다른 특징 및 이점은 단순한 예시 및 비소진적인 예로서 제공되는 본 개시 내용의 하나의 특정 실시예에 대한 이어지는 설명과, 다음과 같은 첨부된 도면으로부터 더욱 명확하게 나타날 것이다:
도 1은 종래 기술에 따라 동기식 1차 네트워크의 스펙트럼에 대한 2차 사용자에 의한 기회적 액세스의 원리를 개략적으로 나타낸다;
도 2는 본 개시 내용의 일 실시예에 따라 주파수 대역에 대한, 2차 사용자에 의한 기회적 액세스 방법을 개략적으로 나타낸다;
도 3은 본 개시 내용의 다른 실시예에 따라 주파수 대역에 대한 기회적 액세스 방법을 개략적으로 나타낸다;
도 4는 본 혁신과 양립하는 일 실시예에 따라 동기식 1차 네트워크의 스펙트럼에 대한 2차 사용자에 의한 기회적 액세스의 원리를 개략적으로 나타낸다;

도 2 내지 4를 참조하여, 본 개시 내용에서 제안되는 혁신과 양립하는 일 실시예를 설명한다.

전통적으로, 동기식 1차 네트워크는 우선적인 1차 사용자의 커뮤니티의 처리에서 채널이라고 불리는 k 서브 대역으로 분할되는 주파수 대역을 배치한다.

1차 사용자는 스펙트럼 자원의 전체를 영구적으로 이용하지 않는다. 이것은 활용되지 않은 스펙트럼 자원을 이용하기 위한 기회를 비우선적인 2차 사용자에게 제공한다. 이러한 1차 네트워크는, 예를 들어, 시민 보안을 위하여 배정될 수 있다. 이것은 필요한 경우에 시민 보안 조직이 즉시 사용 가능하여야만 하지만, 대개는, 네트워크는 거의 사용되지 않고 이에 따라 2차 사용자가 기회적으로 액세스할 수 있는 가용 스펙트럼 자원이 된다. 일반적으로, 2차 사용자에 의한 기회적 스펙트럼 액세스는, 동작에 있어서든 아니면 제공되는 서비스의 품질에 있어서든, 1차 사용자에 대하여 투명한 상태를 유지하여, 어떠한 수정도 인지하지 않는다.

도 1은 몇 개의 시간 프레임의 짧은 지속 시간에 K 채널의 가용성에 대한 전통적인 시간-주파수 매트릭스를 도시하고, 자유로운 채널은 빈 것으로 도시되고, 바쁜 채널은 회색으로 도시된다.

2차 사용자는 이 1차 네트워크에 대한 기회적 액세스를 획득하려고 시도한다. 그때까지 획득된 경험에 기초하여, 이 2차 사용자는 지시자 B_k를 각각의 채널 k와 연관시킨다. 이 지시자 B_k는 각각의 시간 프레임에 따라, 특히 이의 이전 경험으로부터 경험적으로 획득된 채널 k의 평균 가용성

의 함수로서, 변경될 수 있다. 2차 사용자가 액세스하기 원하는 1차 네트워크의 특성에 대한 선험적 지식을 가지지 않기 때문에, 변수 B_k 및

는, 예를 들어, 임의의 값으로 할당되거나 또는 각각의 채널 k가 적어도 한 번 스캔되는 초기화 단계의 실행에 의해 초기화된다.

도 2에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 각각의 시간 프레임 t의 시작에서, 2차 사용자는 지시자 B_i(t)가 가장 높은 채널 i의 가용성을 확인하기 위하여, 관찰 단계(10)를 수행한다. 다른 전통적인 검출 방법, 예를 들어, 에너지 검출기(라디오미터(radiometer))나 그렇지 않으면 주기 정상성(cyclostationarity) 검출기가 사용될 수 있다.

채널 i가 이 시간 프레임 t에 대하여 사용 가능하지 않다면, 단계 20에서, 2차 사용자는 채널 i의 평균 가용성

를 계산하고, 원격 사용자와의 무선 통신을 시도하고 설정하기 위하여 다음 시간 프레임 t+1을 대기한다.

채널 i가 이 시간 프레임 t에 대하여 사용 가능하다면, 채널 i의 스펙트럼 자원을 사용하여, 2차 사용자는 원격 사용자와의 무선 통신을 개시한다(30). 2차 사용자는 단계 40에서 채널의 평균 가용성

를 계산한다.

시간 프레임 t 동안 채널 i가 사용 가능한지 아닌지 관계없이, 지시자 B_i(t)는, 2차 사용자가 관찰할 수 있게 하고, 경우에 따라, 시간 프레임 t+1동안 가장 높은 값의 지시자 B_j(t+1)를 갖는 채널 j를 사용할 수 있게 하도록

의 함수로서 단계 50에서 업데이트될 것이다.

각각의 지시자 B_k가 고려되는 채널의 평균 가용성

의 함수로서 업데이트되기 때문에, 2차 사용자는 가장 자주 사용 가능한 채널에 대한 우선권을 제공하도록 관찰 단계의 결과를 사용한다.

이 점까지는, 설명된 기회적 액세스의 방법은 종래 기술에서 설명된 다른 방법에 유사하다. 도 1에 나타낸 예에서, 2차 사용자가 이의 환경을 탐색함에 따라 지시자 B₂와 B_k가 덜 빈번하게 사용 가능한 다른 채널의 지시자에 비하여 증가할 것이기 때문에, 방법은 채널 2 및 K의 더욱 빈번한 선택으로 이어진다.

그러나, 2차 사용자의 관점에서, 자유로운 채널의 전부가 동일하게 중요한 것은 아니다. 사실은, 모든 이러한 자유로운 채널이 원격 사용자와의 통신을 효율적으로 개시할 수 있게 하지만, 어떤 사용 가능한 채널이 다른 것보다 더 나은 품질을 제공한다는 것이다. 본 개시 내용에 따른 기회적 액세스 방법은 사용 가능하고, 동시에 최고의 품질을 제공하는 채널의 우선적인 것으로서의 선택을 가능하게 한다.

도 2에 도시된 제1 실시예에 따라, 채널이 사용 가능하고 이의 스펙트럼 자원이 원격 사용자와의 무선 통신을 수행하기 위하여 2차 사용자에 의해 사용될 때, 채널 i의 품질 인덱스 R_i(t)가 단계 60에서 시간 프레임 t 동안 계산된다. 시간 프레임 t의 마지막에, 모든 채널의 지시자 B_k(t)가 채널 i의 평균 가용성

및 품질 인덱스 R_i(t)의 함수로서 업데이트된다.

채널 i의 품질 인덱스 R_i(t)는 다른 방법으로 계산될 수 있다. 하나의 실시예에 따라, SNR(signal-to-noise ratio)가 시간 프레임 t에서의 데이터 전송 동안 측정되고 품질 인덱스 R_i(t)를 계산하기 위하여 사용된다. 다른 실시예에 따라, 이는 데이터 전송 동안 측정되고 사용되는 SNIR(signal-to-interference-plus-noise-ratio)이다.

다른 실시예에서, 이는 추정되거나 측정되고 품질 인덱스 R_i(t)를 계산하기 위하여 사용되는 데이터 전송 동안의 2차 사용자의 전기 소비이다.

도 3에 도시된 일 실시예에 따라, 단계 70에서, 채널이 점유될 때 채널 i의 품질 인덱스 R_i(t)가 계산된다. 물론, 데이터 전송이 없기 때문에, 품질 인덱스는 SNR 또는 SINR와 유사한 전송 품질의 측정이 될 수 없다. 그러나, 채널 i의 가용성을 확인하기 위하여 관찰 단계(10) 동안 획득된 결과로부터 채널의 품질 인덱스 R_i(t)를 획득하는 것이 가능하다.

예를 들어, 관찰 단계(10) 동안, 전통적으로 라디오미터가 X가 페이즈 채널 I에서 측정되고, Y가 직교 채널 Q에서 측정되는 샘플 (X, Y)의 N_sample 쌍을 측정하면, 검출기의 출력은 다음과 같은 종류가 될 수 있다:

전통적인 방식에서, 채널이 자유로운지 바쁜지 판단하기 위하여, 검출기의 출력이 임계값과 비교된다. 채널이 바쁠 때, 출력의 레벨이 더 높을수록 채널 i의 품질이 더 높을 것이기 때문에, 채널 i에 대한 품질 인덱스 R_i(t)를 획득하기 위하여 검출기의 출력의 레벨이 단계 70에서 사용될 수 있다.

유사하게, 품질 인덱스 R_i(t)는 채널 i에서의 신호의 존재 또는 부재를 확인하기 위하여 관찰 단계(10)에서 사용된 다른 종류의 검출기에 대하여 단계 70에서 판단될 수 있다.

하나의 구현 모드에서, 단계 70에서 채널이 자유롭지 않을 때 품질 인덱스를 계산하는 제1 계산 모드가 사용될 수 있고, 단계 60에서, 채널이 자유롭고 2차 사용자가 원격 사용자와의 통신을 설정하기 위하여 기회적으로 이를 액세스할 때, 제2 계산 모드(예를 들어, 전송 품질 측정)가 사용된다.

일 실시예에 따르면, 모든 채널에서 최고의 품질 인덱스 R_max가 유지되고, R_max와 R_i(t) 사이의 차이가 단계 50에서 지시자 B_i(t)의 업데이트 동안 고려된다.

다른 구현 모드에 따르면, 모든 채널의 품질 인덱스 R_k의 평균값 G_k가 유지되고, 각각의 지시자 B_k(t)가 G_max와 보관된 값 G_k 사이의 차이의 함수로서 단계 50에서 업데이트된다. 이 차이는, 2차 사용자가 그때까지 드물게 관찰한 새로운 채널을 탐색하게 하도록, 이 1차 네트워크의 스펙트럼에 대한 2차 사용자의 기회적 액세스의 시작으로부터 채널이 관찰한 횟수(즉, 지시자 B_k가 K 채널의 지시자 중에서 가장 높은 횟수)에 의해 가중치가 부여될 수 있다.

지시자 B_k가 품질의 함수로서 단계 50에서 업데이트되어, 이 데이터는 품질 측정의 결과를 사용할 수 있게 하고, 따라서, 품질을 제공하면서도 가장 빈번하게 자유로운 채널에 우선권을 제공할 수 있게 하고, 동시에, 채널이 매우 자주 자유롭지만 품질이 낮을 때 다른 채널의 가용성을 탐색할 수 있게 한다.

마지막으로, 다른 실시예에 따라, 바이어스 A_k(t)가 각각의 채널에 대하여 계산되고, 지시자 B_k(t)가 바이어스 A_k(t)의 함수로서 단계 50에서 업데이트된다. 특히, 이 바이어스는 주어진 채널이 관찰된 회수를 고려할 수 있다. 이러한 방식으로, 2차 사용자는 빈번하게 관찰된 채널이 충분한 빈도로 자유롭지 않을 때 또는 충분한 품질을 제공하지 않을 때, 그때까지 거의 관찰되지 않은 채널의 가용성을 탐색하게 된다.

단계 50의 지시자 B_k를 업데이트하는 함수의 파라미터를 이용함으로써, 더 크거나 더 작은 가중치가 평균 가용성

, 품질 R_i(t)의 측정 및 바이어스 A_k에 제공될 수 있어, 품질에 관한 경험, 가용성의 측면에서의 경험 또는 드물게 관찰된 채널의 탐색에 우선권을 제공한다.

하나의 특정 실시예에서, 2차 사용자는 각각의 시간 프레임 t 동안 여러 채널을 관찰할 수 있다. 전송이 관찰된 사용 가능한 채널 중 하나(가장 높은 지시자 B를 갖는 것)에만 수행될 때, 시간 프레임 t 동안의 여러 채널의 관찰은 각각의 채널의 평균 가용성 및 품질에 대한 데이터를 더욱 신속하게 업데이트할 수 있게 한다. 동일한 방식으로, 이는 여러 관찰 전략, 예를 들어 경험에 기초한 하나의 전략과, 2차 사용자가 사용 가능한 정보를 거의 가지지 않은 채널을 관찰하는 것에 목표를 둔 하나의 탐색 전략을 가지는 것을 가능하게 한다.

도 4는 도 1에 대응하고, 채널이 사용 가능할 때 하나의 시간 프레임 동안 획득될 수 있는 품질의 표시를 갖는다. 도 4에 도시된 예에서, 2개의 채널의 가용성의 빈도가 동일하더라도 품질 인덱스 R₂가 R_K보다 평균에서 더 양호하여, 지시자 B₂가 B_K보다 더 빠르게 증가할 것이기 때문에, 2차 사용자는 채널 K보다 채널 2를 선호할 것이다. 궁극적으로, 2차 사용자는 도 1에 도시된 바와 같은 종래 기술에 따른 기회적 액세스 방법으로 획득될 수 있는 것보다 더 양호한 품질 전송을 획득할 것이다.

또한, 본 발명은 이전에 설명된 주파수 대역에 대한 기회적 액세스 방법 중 하나를 구현하기 위한 실행 가능한 코드를 기억하는 컴퓨터 프로그램 제품과, 장치의 컴퓨터에 의해 실행될 때, 여기에서 위에 설명된 방법 중 하나에 따른 1차 네트워크의 스펙트럼을 기회적으로 액세스하는 것을 가능하게 하는 컴퓨터 프로그램 제품을 포함하는 통신 장치에 관한 것이다.

Claims (8)

1. 2차 사용자(secondary user)에 의한 동기식 1차 네트워크(primary network)에 전용인 주파수 대역에 대한 기회적 액세스 방법에 있어서,
   상기 주파수 대역은 K 독립 채널로 분할되고, 표시자 B_k 및 평균 가용성

   

   가 각각의 채널 k에 할당되고,
   - 가장 큰 지시자 B_i(t)를 갖는 채널 i의 상기 2차 사용자에 의한 관찰 단계(10);
   - 상기 채널 i의 평균 가용성

   

   를 업데이트하는 단계(20, 40);
   - 상기 채널 i가 자유로운(free) 경우에,
   ○ 상기 2차 사용자와 원격 사용자 사이에, 상기 채널 i에서, 프레임 t 동안 설정된 데이터 전송 단계(30); 및
   ○ 상기 채널 i의 품질 인덱스 R_i(t)를 계산하는 단계(60);
   - R_i(t)의 평균 가용성

   

   의 함수로서, 그리고 각각의 채널 k에 대하여 계산된 바이어스 A_k(t)의 함수로서, 상기 K 채널의 지시자 B_k(t)를 업데이트하는 단계(50)
   를 포함하는,
   주파수 대역에 대한 기회적 액세스 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 채널 i가 자유로운 경우에,
   - 상기 데이터 전송의 품질이 측정되고,
   - 상기 채널 i의 품질 인덱스 R_i(t)가 전송 품질에 대한 측정값의 함수로서 계산되는 것을 특징으로 하는,
   주파수 대역에 대한 기회적 액세스 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 데이터 전송의 품질은 SNR(signal-to-noise ratio) 또는 SINR(signal-to-interference-plus-noise-ratio)에 의해 측정되는 것을 특징으로 하는,
   주파수 대역에 대한 기회적 액세스 방법.
4. 제2항에 있어서,
   상기 데이터 전송의 품질은 상기 데이터 전송 동안의 전기 소비에 의해 측정되는 것을 특징으로 하는,
   주파수 대역에 대한 기회적 액세스 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 채널 i가 바쁜(busy) 경우에,
   - 품질 인덱스 R_i(t)가 계산되고,
   - 상기 K 채널의 상기 지시자 B_k(t)가

   

   와 R_i(t)의 함수로서 업데이트되는 것을 특징으로 하는,
   주파수 대역에 대한 기회적 액세스 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 채널 i의 품질 인덱스 R_i(t)가 라디오미터(radiometer)에 의해 측정된 에너지의 함수로서 계산되는 것을 특징으로 하는,
   주파수 대역에 대한 기회적 액세스 방법.
7. 마이크로프로세서에 의해 실행될 때, 제1항에 따른 주파수 대역에 대한 기회적 액세스 방법의 구현을 위한 실행 가능한 코드를 기억하는 컴퓨터 프로그램 제품.
8. - 무선 통신 수단;
   - 적어도 하나의 배터리;
   - 적어도 하나의 컴퓨터;
   - 메모리;
   - 주파수 채널의 가용성을 관찰할 수 있는 적어도 하나의 센서
   를 포함하는 통신 장치에 있어서,
   제7항에 따른 컴퓨터 프로그램 제품을 포함하는 것을 특징으로 하는,
   통신 장치.

Images