KR101467342B1 - 비정규 잡음 환경에서 협력 무선 인지 네트워크를 위한 스펙트럼 센싱 장치 및 방법, 이를 이용한 결합 센터 장치 및 협력 무선 인지 통신 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예들에 따른 협력 무선 인지 통신 시스템은, 일차 사용자(PU)에게 할당된 대역을 일차 사용자가 현재 점유 중인지 알기 위해 해당 대역에서 검출된 무선 신호를 다운컨버팅한 기저 대역 신호를 샘플링하고, 샘플링 결과에 따라 PU 신호의 검출 여부에 관한 스펙트럼 센싱 정보(SSI)를 생성하는 M 개의 무선 인지 통신 장치들(CR) 및 최대 간섭 조건을 포함하는 주어진 통신 환경 하에서 이차 사용자(SU) 신호의 기대 평균 전송량을 최대로 할 수 있는 결합 문턱값 를 결정하고, M 개의 무선 인지 통신 장치들의 각각으로부터 스펙트럼 센싱 정보(SSI)를 수신하면, M 개의 무선 인지 통신 장치들로부터 각각 수신된 M 개의 SSI들로부터 결합 검정 통계량을 산출하고, 산출된 결합 검정 통계량을 소정의 계수 규칙에 따라 주어진, 또는 결정된 결합 문턱값 에 비교하여 PU 신호의 존재 여부를 판정하는 결합 센터(FC)를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 협력 무선 인지 네트워크에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 협력 무선 인지 네트워크를 위한 스펙트럼 센싱 기법에 관한 것이다.
무선 주파수 대역의 수요가 급증하면서 무선 주파수 스펙트럼의 가치가 점점 높아지고 있다. 스펙트럼 사용의 효율을 높이는 기술로서 동적 스펙트럼 할당에 기반하는 인지 무선 통신(Cognitive Radio, CR)은 무선 주파수 스펙트럼 부족 문제의 해결책 중 하나로 주목받고 있다.
CR 시스템에서, 일차 사용자(Primary User, PU)는 특정 스펙트럼 대역에 대해 우선권을 가지는데, PU가 해당 스펙트럼 대역을 사용하지 않을 경우에, 즉 PU 신호가 존재하지 않을 때에 어떤 이차 사용자(Secondary User, SU)가 PU의 스펙트럼 사용에 간섭을 주지 않는 범위 내에서 해당 스펙트럼 대역에서 통신을 할 수 있다. CR 시스템이 효율적이고 유연하게 운영되기 위해서는 신뢰성있는 스펙트럼 센싱 기술이 뒷받침되어야 한다.
스펙트럼 센싱 기술은 크게 동기(coherent), 비동기(non-coherent) 및 신호 특징(feature) 검파 방식으로 분류된다.
대개의 경우에, CR은 이용하고자 하는 스펙트럼 대역의 PU 신호에 대해, 전송 방식, 파일럿, 동기화 메시지 등에 관하여, 충분한 정보를 가지지 못하기 때문에, 비동기 방식의 스펙트럼 센싱 기술이 보통 이용된다. 예를 들어, 에너지 검파는 전송 환경에 대한 최소의 정보만 요구하고 복잡도가 낮은 비동기 방식의 스펙트럼 센싱 기술이다.
한편, PU가 스펙트럼 대역을 실제로 점유하고 있음에도 불구하고, 어떤 CR이 자신이 처한 특정한 장소나 시간에 페이딩(fading)이나 쉐도잉(shadowing)에 의해 PU 신호가 검출되지 않아 해당 스펙트럼 대역을 사용하는 경우도 있을 수 있는데, 이 경우 PU는 통신 간섭을 당하게 된다.
페이딩이나 쉐도잉을 극복하기 위한 기법이 더 필요함에 따라, 다수의 CR들이 스펙트럼 센싱 정보들(Spectrum Sensing Information, SSI)을 공유하고 결합하여 공간적 다이버시티(diversity)를 확보하는 협력 스펙트럼 센싱(Cooperative Spectrum Sensing, CSS) 기법이 등장하였다.
CSS 기법에서, 각각의 이차 사용자들(SU)은 관심 스펙트럼 대역에 대해 PU 신호의 존재 여부를 각자 판단한 결과인 SSI를 결합 센터(Fusion Center, FC)로 전송하며, FC는 이들 SSI들을 결합하여 PU 신호의 존재 여부를 최종적으로 판정한다.
기존의 CSS 기법들은 잡음이 가우시안 정규 분포를 따른다는 가정에 기반한다. 하지만 현실 세계에서는 이동 중인 대형 물체, 전력선 개폐 과도 현상, 차량의 시동, 해수면 반사파, 번개, 태양풍 등의 원인으로 종종 충격성 비정규 잡음이 발생한다. 이 경우, 잡음 모형은 충격성 잡음 모형으로 모델링될 수 있다. 나아가, 이차 사용자들마다 각자 다른 잡음 환경 하에서 동작 중일 수도 있다.
기존의 가우시안 잡음 분포에 기반한 CSS 기법들은 이러한 현실적인 잡음 환경에서는 성능이 떨어지는 문제를 보인다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 비정규 잡음 환경에서 협력 무선 인지 네트워크를 위한 스펙트럼 센싱 장치 및 방법, 이를 이용한 결합 센터 장치 및 협력 무선 인지 통신 시스템을 제공하는 데에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 비정규적 잡음 환경에서 충격성 잡음에 대한 영향을 줄일 수 있는 협력 무선 인지 네트워크를 위한 스펙트럼 센싱 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 비정규적 잡음 환경에서 충격성 잡음에 대한 영향을 줄이기 위해 각 CR들의 결과를 결합할 때에, PU와 CR들이 처한 다양한 시나리오 하에서 최선의 결과를 얻을 수 있는 결합 센터 장치와 무선 인지 통신 시스템을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확히 이해되어 질 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 협력 무선 인지 통신 시스템은,
일차 사용자(PU)에게 할당된 대역을 일차 사용자가 현재 점유 중인지 알기 위해 해당 대역에서 검출된 무선 신호를 다운컨버팅한 기저 대역 신호를 샘플링하고, 샘플링 결과에 따라 PU 신호의 검출 여부에 관한 스펙트럼 센싱 정보(SSI)를 생성하는 M 개의 무선 인지 통신 장치들(CR); 및
최대 간섭 조건을 포함하는 주어진 통신 환경 하에서 이차 사용자(SU) 신호의 기대 평균 전송량을 최대로 할 수 있는 결합 문턱값 를 결정하고, 상기 M 개의 무선 인지 통신 장치들의 각각으로부터 스펙트럼 센싱 정보(SSI)를 수신하면, 상기 M 개의 무선 인지 통신 장치들로부터 각각 수신된 M 개의 SSI들로부터 결합 검정 통계량을 산출하고, 산출된 결합 검정 통계량을 소정의 계수 규칙에 따라 주어진, 또는 결정된 결합 문턱값 에 비교하여 PU 신호의 존재 여부를 판정하는 결합 센터(FC)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 결합 센터는
상기 M 개의 무선 인지 통신 장치들의 각각으로부터 스펙트럼 센싱 정보(SSI)를 수신하고, 결정된 결합 문턱값 에 의한 계수 규칙에 따라 PU 신호의 존재 여부를 판정하는 PU 신호 판정부; 및
일 실시예에 따라, 상기 문턱값 최적화부는
주어진 최대 간섭 조건, CR들의 개수, 오경보 확률, 검파 확률, SU 신호의 설계 전송량 및 SU 신호에 의해 PU 신호가 받는 간섭의 크기에 따라 SU 신호의 기대 평균 전송량을 최대로 할 수 있는 결합 문턱값 를 결정하도록 동작할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 문턱값 최적화부는 다음 수학식
여기서, pfa는 어느 한 CR의 오경보 확률, pd는 어느 한 CR의 검파 확률을 의미하며, R은 SU 신호의 설계 전송량, x는 M 개의 CR들 중에서 PU 신호를 검출한 CR들의 개수, MCM-x는 M 개의 CR들 중에서 M-x 개의 CR들이 선택되는 경우의 수를 의미하는 조합 연산, C는 SU 신호가 PU 신호에 미치는 간섭의 크기, 는 주어진 최대 간섭 크기 조건일 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 문턱값 최적화부는,
주어진 최대 간섭 조건에 따라, 결합 문턱값 를 1로, 계수 규칙을 OR 규칙으로 결정하거나 또는 결합 문턱값 를 M으로, 계수 규칙을 AND 규칙으로 결정하도록 동작할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 결합 센터는,
전체 스펙트럼에 걸쳐 PU 신호가 존재하는 대역 및 비어 있는 대역에 관한 정보를 지속적으로 관리하고 이차 사용자(SU)의 대역 사용 요청 및 PU 신호의 존재 여부 판정에 따라, 이차 사용자에게 비어 있는 대역을 할당하거나 이차 사용자가 사용 중인 대역을 회수하거나 변경하도록 제어하는 동적 대역 관리부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 무선 인지 통신 장치는 샘플링 결과에 따라 PU 신호의 검출 여부에 관한 SSI를 생성하는 스펙트럼 센싱부를 포함하며,
상기 스펙트럼 센싱부는,
수신된 기저 대역 신호를 샘플링하고, 샘플링된 N 개의 샘플들로 구성된 관측 샘플 벡터 ={ym(1), ym(2), ..., ym(N)}(m은 1≤m≤M인 정수)을 생성하는 샘플링부;
주어진 잡음 환경에서 산출된 검정 통계량 을 주어진 국부 문턱값 λm에 비교하여 수신된 기저 대역 신호가 PU 신호인지 판정하여 SSI를 생성하는 SSI 생성부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 검정부는,
비정규 충격성 잡음 환경이 이변수 등방형 대칭 알파 안정 분포(BISαS 분포)를 따르는 것으로 모형화되었을 때에, 다음 수학식
에 따라, m 번째(m은 1≤m≤M인 정수) CR의 ℓ 번째(ℓ은 1≤ℓ≤k인 정수) 선택적 관측 샘플 의 절대값을 제곱하고, 으로 나눈 다음 1과 더해진 값에 자연 로그를 한 결과들을 모두 합산하여 검정 통계량 을 산출하며,
일 실시예에 따라, 상기 검정부는,
비정규 충격성 잡음 환경이 이변수 등방형 대칭 알파 안정 분포(BISαS 분포)를 따르는 것으로 모형화되었을 때에, 다음 수학식
에 따라, m 번째(m은 1≤m≤M인 정수) CR의 ℓ 번째(ℓ은 1≤ℓ≤k인 정수) 선택적 관측 샘플 의 절대값을 제곱하고, 으로 나눈 결과들을 모두 합산하여 검정 통계량 을 산출하며,
일 실시예에 따라, 상기 SSI 생성부는,
에 따라 이진 SSI 값 xm을 가지고 SSI를 생성하도록 동작하며,
여기서, 국부 문턱값 λm은 m 번째 CR에 주어진 개별적인 문턱값일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 협력 무선 인지 네트워크를 위한 결합 센터는,
협력 무선 인지 네트워크를 구성하는 M 개의 무선 인지 통신 장치들의 각각으로부터 스펙트럼 센싱 정보(SSI)를 수신하고, 결정된 결합 문턱값 에 의한 계수 규칙에 따라 PU 신호의 존재 여부를 판정하는 PU 신호 판정부; 및
일 실시예에 따라, 상기 문턱값 최적화부는
주어진 최대 간섭 조건, CR들의 개수, 오경보 확률, 검파 확률, SU 신호의 설계 전송량 및 SU 신호에 의해 PU 신호가 받는 간섭의 크기에 따라 SU 신호의 기대 평균 전송량을 최대로 할 수 있는 결합 문턱값 를 결정하도록 동작할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 문턱값 최적화부는 다음 수학식
여기서, pfa는 어느 한 CR의 오경보 확률, pd는 어느 한 CR의 검파 확률을 의미하며, R은 SU 신호의 설계 전송량, x는 M 개의 CR들 중에서 PU 신호를 검출한 CR들의 개수, MCM-x는 M 개의 CR들 중에서 M-x 개의 CR들이 선택되는 경우의 수를 의미하는 조합 연산, C는 SU 신호가 PU 신호에 미치는 간섭의 크기, 는 주어진 최대 간섭 크기 조건일 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 문턱값 최적화부는,
주어진 최대 간섭 조건에 따라, 결합 문턱값 를 1로, 계수 규칙을 OR 규칙으로 결정하거나 또는 결합 문턱값 를 M으로, 계수 규칙을 AND 규칙으로 결정하도록 동작할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 결합 센터는,
전체 스펙트럼에 걸쳐 PU 신호가 존재하는 대역 및 비어 있는 대역에 관한 정보를 지속적으로 관리하고 이차 사용자(SU)의 대역 사용 요청 및 PU 신호의 존재 여부 판정에 따라, 이차 사용자에게 비어 있는 대역을 할당하거나 이차 사용자가 사용 중인 대역을 회수하거나 변경하도록 제어하는 동적 대역 관리부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 협력 무선 인지 통신 시스템의 스펙트럼 센싱 방법은,
M 개의 무선 인지 통신 장치(CR)들과 결합 센터(FC)로 구성된 협력 무선 인지 통신 시스템의 스펙트럼 센싱 방법으로서,
각각의 무선 인지 통신 장치가, 수신한 기저 대역 신호를 샘플링하는 단계;
각각의 무선 인지 통신 장치가, 샘플링된 N 개의 샘플들로 구성된 관측 샘플 벡터 (m은 1≤m≤M인 정수)을 크기가 작은 순서대로 재배열한 순서 통계량 중에서 크기가 작은 순서로 개의 선택적 관측 샘플들을 선택하는 단계;
각각의 무선 인지 통신 장치가, 산출된 검정 통계량 과 주어진 국부 문턱값 λm에 비교하여 수신된 기저 대역 신호가 일차 사용자(PU) 신호인지 여부의 판정에 기초하여 스펙트럼 센싱 정보(SSI)를 생성하고 생성된 스펙트럼 센싱 정보를 결합 센터에 각각 전송하는 단계;
상기 결합 센터가, 상기 M 개의 무선 인지 통신 장치들로부터 각각 수신된 M 개의 SSI들로부터 결합 검정 통계량을 산출하고, 산출된 결합 검정 통계량을 소정의 계수 규칙에 따라 주어진, 또는 결정된 결합 문턱값 에 비교하여 PU 신호의 존재 여부를 판정하는 단계를 포함할 수 있다.
주어진 최대 간섭 조건, CR들의 개수, 오경보 확률, 검파 확률, SU 신호의 설계 전송량 및 SU 신호에 의해 PU 신호가 받는 간섭의 크기에 따라 SU 신호의 기대 평균 전송량을 최대로 할 수 있는 결합 문턱값 를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, pfa는 어느 한 CR의 오경보 확률, pd는 어느 한 CR의 검파 확률을 의미하며, R은 SU 신호의 설계 전송량, x는 M 개의 CR들 중에서 PU 신호를 검출한 CR들의 개수, MCM-x는 M 개의 CR들 중에서 M-x 개의 CR들이 선택되는 경우의 수를 의미하는 조합 연산, C는 SU 신호가 PU 신호에 미치는 간섭의 크기, 는 주어진 최대 간섭 크기 조건일 수 있다.
주어진 최대 간섭 조건에 따라, 결합 문턱값 를 1로, 계수 규칙을 OR 규칙으로 결정하거나 또는 결합 문턱값 를 M으로, 계수 규칙을 AND 규칙으로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
비정규 충격성 잡음 환경이 이변수 등방형 대칭 알파 안정 분포(BISαS 분포)를 따르는 것으로 모형화되었을 때에, 다음 수학식
에 따라, m 번째(m은 1≤m≤M인 정수) CR의 ℓ 번째(ℓ은 1≤ℓ≤k인 정수) 선택적 관측 샘플 의 절대값을 제곱하고, 으로 나눈 다음 1과 더해진 값에 자연 로그를 한 결과들을 모두 합산하여 검정 통계량 을 산출하며,
비정규 충격성 잡음 환경이 이변수 등방형 대칭 알파 안정 분포(BISαS 분포)를 따르는 것으로 모형화되었을 때에, 다음 수학식
에 따라, m 번째(m은 1≤m≤M인 정수) CR의 ℓ 번째(ℓ은 1≤ℓ≤k인 정수) 선택적 관측 샘플 의 절대값을 제곱하고, 으로 나눈 결과들을 모두 합산하여 검정 통계량 을 산출하며,
일 실시예에 따라, 스펙트럼 센싱 정보(SSI)를 생성하는 단계는,
에 따른 이진 SSI 값 xm을 가지고 SSI를 생성하는 단계를 포함하며,
여기서, 국부 문턱값 λm은 m 번째 CR에 주어진 개별적인 문턱값일 수 있다.
본 발명의 비정규 잡음 환경에서 협력 무선 인지 네트워크를 위한 스펙트럼 센싱 방법, 이를 이용한 결합 센터 장치 및 무선 인지 통신 시스템에 따르면, 다양한 시나리오에서 SU 신호의 기대 전송량을 최대로 할 수 있는 최적화된 문턱값에 기초한 계수 규칙을 이용하여 PU 신호의 점유 여부를 판정할 수 있다.
본 발명의 비정규 잡음 환경에서 협력 무선 인지 네트워크를 위한 스펙트럼 센싱 방법, 이를 이용한 결합 센터 장치 및 무선 인지 통신 시스템에 따르면, PU가 간섭받아서는 안 되는 시나리오에서는 OR 규칙에 따라 판정하여 하나의 CR에서라도 PU 신호가 인식되면 PU 신호가 존재한다고 판정하고, 그렇지 않은 시나리오에서는 AND 규칙 또는 다수결(MJ) 규칙에 따라 판정하여 모든 CR들 또는 과반수의 CR들에서 PU 신호가 인식되어야 PU 신호가 존재한다고 판정할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비정규 잡음 환경에서 협력 무선 인지(CCR) 네트워크를 위한 무선 인지 통신 장치들 및 결합 센터가 협력하여 동작하는 협력 무선 인지 통신 시스템의 개략적인 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비정규 잡음 환경에서 협력 무선 인지 네트워크를 위한 무선 인지 통신 장치를 예시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비정규 잡음 환경에서 협력 무선 인지 네트워크를 위한 각각의 무선 인지 통신 장치가 코시(Cauchy) 잡음 환경에서 동작할 때에 무선 인지 통신 장치의 스펙트럼 센싱부를 예시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비정규 잡음 환경에서 협력 무선 인지 네트워크를 위한 각각의 무선 인지 통신 장치가 가우시안 잡음 환경에서 동작할 때에 무선 인지 통신 장치의 스펙트럼 센싱부를 예시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비정규 잡음 환경에서 협력 무선 인지 네트워크를 위한 스펙트럼 센싱 방법이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 비정규 잡음 환경에서 협력 무선 인지 네트워크를 이용한 협력 무선 인지 통신 시스템에서, ROC(Receiver operation characteristic) 성능이 서로 다른 잡음 환경에서 서로 다른 계수 규칙에 따라 얼마나 변화하는지 나타낸 그래프들이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비정규 잡음 환경에서 협력 무선 인지 네트워크를 위한 무선 인지 통신 장치를 예시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비정규 잡음 환경에서 협력 무선 인지 네트워크를 위한 각각의 무선 인지 통신 장치가 코시(Cauchy) 잡음 환경에서 동작할 때에 무선 인지 통신 장치의 스펙트럼 센싱부를 예시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비정규 잡음 환경에서 협력 무선 인지 네트워크를 위한 각각의 무선 인지 통신 장치가 가우시안 잡음 환경에서 동작할 때에 무선 인지 통신 장치의 스펙트럼 센싱부를 예시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비정규 잡음 환경에서 협력 무선 인지 네트워크를 위한 스펙트럼 센싱 방법이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 비정규 잡음 환경에서 협력 무선 인지 네트워크를 이용한 협력 무선 인지 통신 시스템에서, ROC(Receiver operation characteristic) 성능이 서로 다른 잡음 환경에서 서로 다른 계수 규칙에 따라 얼마나 변화하는지 나타낸 그래프들이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비정규 잡음 환경에서 협력 무선 인지(CCR) 네트워크를 위한 무선 인지 통신 장치들 및 결합 센터가 협력하여 동작하는 협력 무선 인지 통신 시스템의 개략적인 개념도이다.
협력 무선 인지 통신 시스템(10)은 무선 인지 통신 장치들(Cognitive Radio, CR)(11)과 결합 센터(Fusion Center, FC)(12)를 포함한다.
나아가, 무선 인지 통신 장치(11)는 스펙트럼 센싱부(111), 무선 인지 제어부(112) 및 무선 통신 모듈(113)을 포함할 수 있다.
스펙트럼 센싱부(111)는 일차 사용자(우선 사용자, PU)에게 할당된 주파수 스펙트럼 대역을 일차 사용자가 현재 점유 중인지 알기 위해 해당 주파수 스펙트럼에서 검출된 무선 신호를 다운컨버팅한 기저 대역 신호를 샘플링하고, 샘플링 결과에 따라 PU 신호의 검출 여부에 관한 스펙트럼 센싱 정보(SSI)를 생성한다.
스펙트럼 센싱부(111)의 구체적인 동작은 도 2의 무선 인지 통신 장치의 스펙트럼 센싱부를 참조하여 추후에 설명된다.
무선 인지 제어부(112)는 스펙트럼 센싱부(111)에서 생성한 스펙트럼 센싱 정보를 무선 통신 모듈(113)를 통해 결합 센터(12)로 출력하며, 결합 센터(12)로부터 수신된 무선 제어 신호에 의해 지시되는 무선 자원 설정에 따라 무선 통신 모듈(113)를 동작시킬 수 있다.
실시예에 따라, 만약 협력 무선 인지 통신 시스템(10) 내에서 하나의 무선 인지(CR) 네트워크를 구성하는 CR 사용자, 즉 무선 인지 통신 장치(11)가 하나 뿐이라면, 무선 인지 제어부(112)는 스펙트럼 센싱 정보(SSI)에 따라 PU 신호가 검출되지 않는다고 판정된 대역에서 무선 통신 모듈(113)를 동작시킬 수 있다.
한편, 결합 센터(12)는 PU 신호 판정부(121), 문턱값 최적화부(122) 및 동적 대역 관리부(123)를 포함할 수 있다.
PU 신호 판정부(121)는 M 개의 무선 인지 통신 장치들(10)로부터 스펙트럼 센싱 정보(SSI)를 수신하고, 수신된 M 개의 SSI들로부터 결합 검정 통계량 을 산출하고, 산출된 결합 검정 통계량 을 소정의 계수 규칙에 따라 주어진, 또는 결정된 결합 문턱값 에 비교하여 PU 신호의 존재 여부를 판정한다.
구체적으로, 문턱값 최적화부(122)는 주어진 최대 간섭 조건, CR들의 개수, 오경보 확률, 검파 확률, 이차 사용자(SU) 신호의 설계 전송량 및 SU 신호에 의해 PU 신호가 받는 간섭의 크기에 따라 SU 신호의 기대 평균 전송량을 최대로 할 수 있는 결합 문턱값 를 결정한다.
동적 대역 관리부(123)는 전체 스펙트럼에 걸쳐 PU 신호가 존재하는 대역 및 비어 있는 대역에 관한 정보를 지속적으로 관리하고 이차 사용자(SU)의 대역 사용 요청 및 PU 신호의 존재 여부 판정에 따라, 이차 사용자에게 비어 있는 대역을 할당하거나 이차 사용자가 사용 중인 대역을 회수하거나 변경하도록 제어할 수 있다.
무선 인지 통신 장치(11)의 스펙트럼 센싱 동작을 설명하기 위해 도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비정규 잡음 환경에서 협력 무선 인지 네트워크를 위한 무선 인지 통신 장치를 예시한 블록도이다.
먼저, 하나의 FC(12)와 M 개의 CR 사용자들(11)로 이루어진 CR 네트워크를 고려하면, m 번째 (1≤m≤M) CR 사용자의 n 번째 기저대역 샘플 ym(n)=ym,I(n)+jym,Q(n)은 PU 신호가 없으면 다음 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, I와 Q는 각각 샘플 ym(n)의 인페이즈(in-phase) 성분과 쿼드러처(quardrature) 성분을 나타내고, N은 관측 샘플의 총 개수이다. wm(n)도 ym(n)과 마찬가지로 wm(n)=wm,I(n)+jwm,Q(n)으로 표현되는 복소 가산성 잡음이고, m과 n에 대해 독립적이다.
PU 신호가 존재하면 기저대역 샘플 ym(n)은 다음 수학식 2와 같이 나타난다.
여기서, s(n)은 s(n)=sI(n)+jsQ(n)으로서 PU로부터 송신된 복소 신호의 n 번째 샘플을 의미하며, hm은 hm=hm,I(n)+jhm,Q(n)인 복소 채널 계수(complex channel coefficients)이다. M 개의 복소 채널 계수들 hm은 모두 동일한 분포를 가지고 서로 독립이며 스펙트럼 센싱 구간 동안 값이 변하지 않는다고 가정한다.
충격성 비정규 잡음은 BISαS(bivariate isotropic symmetric α-stable) 분포, 즉 이변수 등방형 대칭 알파 안정 분포를 따르는 것으로 모형화될 수 있다.
BISαS 분포의 확률 밀도 함수(probability density function, PDF)는 아래의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, 확률 변수 u1과 u2에 대해, α는 특성 지수(characteristic exponent)로서 0<α≤2이며, α 값이 작으면 확률 밀도 함수에서 가장자리의 두께가 두꺼워지는데, 이는 충격성 잡음이 일어날 확률이 증가된 환경을 묘사할 수 있다. 이러한 α 값의 특성을 이용하여 충격성 잡음 성분의 영향의 정도를 표현할 수 있다. γ는 산포도(dispersion)로서, γ이 커질수록 확률 밀도 함수가 더 넓게 퍼지는 경향을 표현할 수 있다.
BISαS 분포는 α=1 및 α=2인 경우에만 수학식 3과 같은 확률 밀도 함수가 닫힌 꼴(closed form)로 정리되는데, α=1일 때를 이변수 코시 분포(bivariate Cauchy distribution)라고 하며 수학식 4와 같이 정리될 수 있다.
α=2일 때를 이변수 가우시안 분포(bivariate Gaussian distribution)라고 하며 수학식 5와 같이 정리될 수 있다.
여기서, σ2=2γ는 분산을 의미한다.
이러한 잡음의 분포를 가정하였을 때에, 알려진 잡음 분포 환경에서 PU 신호의 변조 방식, 펄스 형태, 패킷 형식 등의 특징 정보도 CR이 알고 있다면 CR에서 정합 필터를 이용하여 최적의 성능을 낼 수 있을 것이다.
그러나, 실제로는 PU 신호에 대한 여러 정보를 CR이 알고 있기 어려우므로, 통상적으로, 정합 필터를 대신하여 m 번째 CR에서 샘플링된 무선 신호 ym(n)의 유의미한 신호 성분인 hms(n)의 최대 우도 추정치(Maximum Likelihood Estimate, MLE)에 기초한 일반화 우도 비율 검정 기법(Generalized Likelihood Ratio Test, GLRT)을 이용하여, m 번째 CR에서 잡힌 신호가 PU 신호인지 여부를 판정한다.
이를 위해, 도 2의 무선 인지 통신 장치(20)는 스펙트럼 센싱부(21), 무선 인지 제어부(22) 및 무선 통신 모듈(23)을 포함한다. 무선 인지 통신 장치(20)는 하나의 협력 무선 인지 통신 시스템을 구성하는 M 개의 무선 인지 통신 장치들 중 m 번째 장치이다.
무선 통신 모듈(23)은, 무선 인지 제어부(22)의 제어에 따라, 관심 대상인 주파수 스펙트럼에서 수신된 무선 신호로부터 기저 대역 신호를 추출하고, 추출된 기저 대역 신호를 스펙트럼 센싱부(21)에 전달한다.
스펙트럼 센싱부(21)는 수신된 기저 대역 신호를 샘플링하고, 샘플링된 샘플들의 순서 통계량에서 크기 순서 대로 부분적으로 선택된 "선택적 샘플들에 기반한 일반화 우도 비율 검정 기법"(GLRT based on selected observations, 본 발명에서 GSO라 지칭함)의 검정 통계량 및 주어진 국부 문턱값(local threshold)에 따라, 수신된 기저 대역 신호가 PU 신호인지 판정하여 스펙트럼 센싱 정보(SSI)를 생성한다.
이를 위해, 스펙트럼 센싱부(21)는 샘플링부(211), 샘플 선택부(212), 검정부(213) 및 SSI 생성부(214)를 포함한다.
SSI 생성부(214)는 산출된 검정 통계량과 주어진 국부 문턱값에 비교하여 수신된 기저 대역 신호가 PU 신호인지 판정하여 스펙트럼 센싱 정보(SSI)를 생성한다.
좀더 이론적으로 설명하면, 스펙트럼의 센싱 여부를 판정하는 문제는 결국 스펙트럼이 비어 있다는 가설 또는 스펙트럼이 점유되어 있다는 가설 중 어느 한 가설이 맞는지 검증하는 문제, 즉 이진 가설 검증 문제라 할 수 있다.
가설 H0가 PU 스펙트럼이 비어 있다는 가설이라면, 그에 대한 대립 가설 H1은 PU 스펙트럼이 점유되어 있다는 가설이라 할 수 있다.
어떤 가설 H0 또는 H1 하에, 관측 벡터 에 대한 결합 확률 밀도 함수를 각각 fH0 및 fH1라 하면, m 번째 CR 장치에서 GLRT 검정 통계량 은 다음 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
한편, m 번째 CR 장치에서 산포도 이고 분산 일 때, 수학식 6에서 자연 로그 항 내의 분자 성분을 코시 잡음 환경 및 가우시안 잡음 환경에 대해 각각 다시 유도하여, 수학식 7 및 수학식 8과 같이 정리할 수 있다.
수학식 9와 같이 신호 성분 의 최대 우도 추정치 를 라 할 때에, 본 발명은 샘플 선택부(212)에서 관측 샘플 벡터 중 크기가 작은 순서로 선택한 개의 선택적 관측 샘플들에 대해 검정부(213)가 연산할 GSO 기반의 검정 통계량 를 다음 수학식 10과 같이 제안한다.
여기서, k∈{1, 2, ..., ,..., N}이다. 수학식 11에 따라 코시 잡음 환경일 때에, 관측 샘플 벡터 중 개의 선택적 관측 샘플들에 의한 GSO 검정 통계량 은 때의 , 즉 로 얻을 수 있다.
여기서, k∈{1, 2, ..., ,..., N}이다. 수학식 12에 따라 가우시안 잡음 환경일 때에, 관측 샘플 벡터 중 개의 선택적 관측 샘플들에 의한 GSO 검정 통계량 은 일 때의 , 즉 로 얻을 수 있다.
한편, 도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비정규 잡음 환경에서 협력 무선 인지 네트워크를 위한 각각의 무선 인지 통신 장치가 코시 잡음 환경 및 가우시안 잡음 환경에서 각각 동작할 때에 무선 인지 통신 장치의 스펙트럼 센싱부를 상세하게 예시한 블록도들이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 무선 인지 통신 장치(20)의 스펙트럼 센싱부(21)는 샘플링부(211)에서 수신된 기저 대역 신호를 샘플링하고, 샘플링된 N 개의 샘플들로 구성된 관측 샘플 벡터 ={ym(1), ym(2), ..., ym(N)}을 샘플 선택부(212)에 전달한다.
샘플 선택부(212)는 관측 샘플 벡터 을 크기가 작은 순서대로 재배열한 순서 통계량 중에서 크기가 작은 순서로 개의 선택적 관측 샘플들을 선택하여 검정부(213a, 213b)에 전달한다.
구체적으로 수학식 11에 따라, 도 3의 검정부(213a)는 각각의 선택적 관측 샘플 의 절대값을 제곱하고, 으로 나눈 다음 1과 더해진 값에 자연 로그를 한 결과들을 모두 합산하여 검정 통계량 을 산출한다.
다시 도 2로 돌아가서, 각각의 잡음 환경에서, SSI 생성부(214)는 산출된 검정 통계량과 주어진 국부 문턱값에 비교하여 수신된 기저 대역 신호가 PU 신호인지 판정하여 스펙트럼 센싱 정보(SSI)를 생성한다.
구체적으로, SSI 생성부(214)는, 검정부(213)에서 관측 샘플 벡터 중 개의 선택적 관측 샘플들에 의한 GSO 검정 통계량 을 전달받고, 수학식 13과 같이 소정의 국부 문턱값 λm과 비교한 결과로부터 이진 SSI 값 xm을 생성할 수 있다. 국부 문턱값 λm은 m 번째 CR에 주어진 또는 설계 허용된 오경보(false alarm) 확률에 따른 개별적인 문턱값이다.
이진 SSI 값 xm이 1이라는 것은 m 번째 CR은 PU 스펙트럼이 점유되어 있다는 가설 H1이 맞다고 판정함을 의미한다. 반대로, 이진 SSI 값 xm이 0이라는 것은 m 번째 CR은 PU 스펙트럼이 점유되어 있다는 가설 H1은 틀렸다고 판정함을 의미한다.
다시 도 1로 돌아가서, 결합 센터(12)는 PU 신호 판정부(121)에서 M 개의 CR들의 각각으로부터 SSI를 수신한다.
구체적으로, PU 신호 판정부(121)는, 수학식 14와 같이, M 개의 이진 SSI들 xm의 집합 중 어떤 CR에서는 가설 H1이 검증되었다는 의미의 1의 값을 가지는 SSI xm들을 계수(counting)하여 결합 검정 통계량 을 산출하고, 산출된 결합 검정 통계량 을 소정의 계수 규칙에 따라 주어진, 또는 문턱값 최적화부(122)에 의해 최대 간섭 조건을 포함하는 주어진 통신 환경에 따라 SU 신호의 기대 평균 전송량을 최대로 할 수 있도록 결정된 결합 문턱값 에 비교하여, PU 신호가 스펙트럼을 점유하여 해당 스펙트럼을 쓸 수 없다는 가설 H1과 스펙트럼이 비어 있다는 가설 H0 중 하나의 가설을 선택함으로써, 해당 스펙트럼 내에 PU 신호의 존재 여부를 최종적으로 판정한다.
이때, 실시예에 따라, 소정의 계수 규칙에 따른 결합 문턱값 은 AND 규칙일 경우에는 M, OR 규칙일 경우에는 1, 다수결 규칙(majority rule)일 경우에는 로 결정될 수 있다. 여기서 는 천장 함수(ceiling function)로서, x보다 크거나 같으면서 가장 작은 정수를 나타낸다.
문턱값 최적화부(122)는 최대 간섭 조건을 포함하는 주어진 통신 환경에 따라 SU 신호의 기대 평균 전송량을 최대로 할 수 있는 결합 문턱값 를 결정하여, PU 신호 판정부(121)에 제공한다.
결합 문턱값 이 주어진 통신 환경에 대한 최적 값보다 작으면, 즉 소수의 CR들이 PU 신호의 검출을 보고하면 대역에 PU 신호가 존재한다고 판정한다면, 오경보 확률은 증가하므로, 실제로는 대역을 이차 사용자(SU)가 사용할 수 있는 상태라 하더라도 점유 상태인 것으로 잘못 판정되어 SU가 대역을 사용하지 못하고 전송 성능이 저하되는 상황이 발생할 수 있다. 하지만 이 경우에 PU에 의한 대역의 점유 상태를 유휴 상태로 잘못 판정하는 확률은 감소하므로 SU 신호에 의해 PU 신호가 간섭을 받을 가능성은 줄어든다.
반대로, 결합 문턱값 이 주어진 통신 환경에 대한 최적값보다 너무 크면, 즉 다수의 CR들이 PU 신호의 검출을 보고해야 대역에 PU 신호가 존재한다고 판정한다면, 오경보 확률은 감소하므로 SU가 대역을 사용하는 빈도가 증가하여 SU의 전송 성능의 향상을 기대할 수 있다. 하지만, 이 경우에 PU 신호가 존재함에도 미검출할 확률이 증가하므로 SU 신호에 의해 PU 신호가 간섭을 받을 가능성은 커진다.
이때, 간섭 가능성을 완전히 회피할 수는 없으므로, 어떤 최대 간섭 조건이 오경보 확률과 마찬가지로 일종의 최대 허용 설계 오차로서 협력 무선 인지 통신 시스템에 주어진다면, 결합 문턱값 을 좀더 용이하게 최적화할 수 있다.
좀더 구체적으로, 결합 문턱값 의 최적화는, 최적화 문제가 최대 간섭 조건을 포함하는 주어진 통신 환경에 따라 SU 신호의 기대 평균 전송량을 최대로 할 수 있도록 설계될 수 있다면, 주지된 다양한 최적화 기법들을 이용하여 수행될 수 있다.
예시적으로, 본 발명에서는 SU 신호가 PU 신호에 미치는 간섭을 임의의 수준에서 제한하고, 그러한 조건을 만족할 때에 SU 신호의 전송 성능을 최대화할 수 있는 결합 문턱값 를 찾기 위해, 오경보 확률 또는 미검출 확률이 0.5 이하일 것이라는 현실적인 가정 하에, 다음 수학식 15와 같이 컨벡스(convex) 최적화 문제로 정리한다.
여기서, pfa는 어느 한 CR의 오경보 확률, pd는 어느 한 CR의 검파 확률을 의미하며, R은 SU 장치의 설계 전송량(throughput), x는 M 개의 CR들 중에서 PU 신호를 검출한 CR들의 개수, MCM-x는 M 개의 CR들 중에서 M-x 개의 CR들이 선택되는 경우의 수를 의미하는 조합 연산(combination), C는 SU 신호가 PU 신호에 미치는 간섭의 크기, 는 주어진 최대 간섭 크기 조건이다.
한편, 는 PU 신호가 있음에도 결합 센터가 PU 신호가 없다고 판정할 미검출 확률로서, 간섭을 수치화한 값 C와 곱해서 PU 신호와 SU 신호 사이의 평균적인 간섭의 크기 를 얻을 수 있다.
최대 간섭 크기 조건 가 작으면 간섭을 일으키는 SU 신호의 송신 기회 및 전송량이 더 제한되지만 PU 신호가 겪는 간섭은 줄어든다. 반면에, 최대 간섭 크기 조건 가 크면 간섭을 일으키는 SU 신호의 송신 기회 및 전송량이 더 허용되지만 PU 신호가 겪는 간섭은 증가한다.
따라서, PU 신호가 간섭에 취약하여 SU 신호로부터 간섭을 최소화하여야 하는 통신 환경에서는 최대 간섭 크기 조건 을 엄격하게, 예를 들어 상대적으로 작은 값으로 정하고, PU 신호가 간섭에 강하고 SU 신호의 전송량도 중요한 통신 환경에서는 최대 간섭 크기 조건 을 여유롭게, 예를 들어 상대적으로 큰 값으로 정함으로써, 통신 시스템이나 통신 환경에 따라 최적의 결합 문턱값 을 결정할 수 있다.
최대 간섭 조건이 가장 엄격한 경우를 가정하면 문턱값 최적화부(122)는 결합 문턱값 를 1로 결정할 것이고, 이는 단 하나의 CR이라도 PU 신호를 검출하면 PU 신호가 존재한다고 판정하는 계수 규칙이므로, 이러한 결합 문턱값 은 OR 규칙의 결합 문턱값 과 사실상 동일하다.
반면에 최대 간섭 조건이 가장 여유로운 경우를 가정하면 문턱값 최적화부(122)는 결합 문턱값 를 M으로 결정할 것이고, 이는 모든 CR에서 PU 신호를 검출해야만 PU 신호가 존재한다고 판정하는 계수 규칙이므로, 이러한 결합 문턱값 은 AND 규칙의 결합 문턱값 과 사실상 동일하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비정규 잡음 환경에서 협력 무선 인지 통신 시스템을 위한 스펙트럼 센싱 방법이다.
도 5를 참조하면, M 개의 무선 인지 통신 장치(CR)들(11)과 결합 센터(FC)(12)로 구성된 협력 무선 인지 통신 시스템(10)의 스펙트럼 센싱 방법으로서, 먼저 단계(S51)에서, 각각의 무선 인지 통신 장치(11)가 수신한 기저 대역 신호를 샘플링한다.
단계(S52)에서, 각각의 무선 인지 통신 장치(11)는 샘플링된 N 개의 샘플들로 구성된 관측 샘플 벡터 을 크기가 작은 순서대로 재배열한 순서 통계량 중에서 크기가 작은 순서로 개의 선택적 관측 샘플들을 선택한다.
단계(S53)에서, 각각의 무선 인지 통신 장치(11)는 주어진 잡음 환경에서 개의 선택적 관측 샘플들에 기초한 일반화 우도 비율 검정 기법(GSO)에 따른 검정 통계량 을 산출한다.
이때, 주어진 잡음 환경이 코시 잡음 환경이면 수학식 11에 따라 검정 통계량을 산출할 수 있다.
이와 유사하게, 주어진 잡음 환경이 가우시안 잡음 환경이면 수학식 12에 따라 검정 통계량을 산출할 수 있다.
단계(S54)에서, 각각의 무선 인지 통신 장치(11)는 산출된 검정 통계량 과 주어진 국부 문턱값 λm에 비교하여 수신된 기저 대역 신호가 PU 신호인지 여부의 판정에 기초하여 스펙트럼 센싱 정보(SSI)를 생성하고 생성된 스펙트럼 센싱 정보를 결합 센터(12)에 각각 전송한다.
구체적으로, 결합 센터(12)의 문턱값 최적화부(122)는 주어진 최대 간섭 조건, CR들의 개수, 오경보 확률, 검파 확률, SU 신호의 설계 전송량 및 SU 신호에 의해 PU 신호가 받는 간섭의 크기에 따라 SU 신호의 기대 평균 전송량을 최대로 할 수 있는 결합 문턱값 를 결정할 수 있다.
단계(S56)에서, 결합 센터(12)는 M 개의 무선 인지 통신 장치들(11)로부터 각각 수신된 M 개의 SSI들로부터 PU 신호를 검출한 무선 인지 통신 장치들(11)의 수를 계수하여 결합 검정 통계량 을 산출하고, 산출된 결합 검정 통계량 을 소정의 계수 규칙에 따라 주어진, 또는 결정된 결합 문턱값 에 비교하여 PU 신호의 존재 여부를 판정한다.
이때, 실시예에 따라, 소정의 계수 규칙에 따른 결합 문턱값 은 AND 규칙일 경우에는 M, OR 규칙일 경우에는 1, 다수결 규칙(majority rule)일 경우에는 로 결정될 수 있다. 여기서 는 천장 함수(ceiling function)로서, x보다 크거나 같으면서 가장 작은 정수를 나타낸다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 비정규 잡음 환경에서 협력 무선 인지 네트워크를 이용한 협력 무선 인지 통신 시스템에서, ROC(Receiver operation characteristic) 성능이 서로 다른 잡음 환경 및 서로 다른 계수 규칙에 따라 어떻게 변화하는지 나타낸 그래프들이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 성능 확인을 위해 γ=1로 BISαS 모델링된 잡음 환경에서 네 개의 CR들을 가지는 협력 무선 인지 통신 시스템을 구축하고 ROC 성능을 시뮬레이션하였다. CR은 4 개이며 샘플 수는 50 개이고, 국부 문턱값들은 모두 동일하다.
먼저 다음 표 1은 잡음 환경 별로 BISαS 모델링을 위한 α 값을 나타낸다.
잡음 환경 | 첫 번째 CR | 두 번째 CR | 세 번째 CR | 네 번째 CR |
잡음 환경 1 | 2 | 2 | 1 | 1 |
잡음 환경 2 | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 |
잡음 환경 3 | 1 | 1 | 1 | 1 |
잡음 환경 1은 두 개의 CR은 α=2인 가우시안 잡음 환경이고, 두 개는 α=1인 코시 잡음 환경에 있다. 잡음 환경 2는 네 CR 모두 α=1.5이고, 잡음 환경 3에서는 네 CR들이 모두 α=1에 놓여 있다. 잡음 환경 1보다 잡음 환경 2가, 잡음 환경 2보다 잡음 환경 3이 더 많은 충격성 잡음 성분을 가진다.
도 6 내지 도 8에서 범례는 각각 두 잡음 환경에서 본 발명에 따른 GSO 검정 통계량 산출 방식들(GSOC, GSOG)과 종래의 GLRT 검정 통계량 산출 방식들(GLRTC, GLRTG)과 세 가지의 특징적인 계수 규칙들(OR, MJ(다수결), AND)을 의미하며, 이들의 조합에 따라 총 12 개의 그래프들이 그려진다. 아래 첨자 C와 G는 각각 코시 잡음 환경 및 가우시안 잡음 환경에서 검정 통계량 방식들을 의미한다.
예를 들어 o로 이어지는 파선(- - o - - o - -) 그래프는, 코시 잡음 환경에서, 본 발명의 GSO 검정 통계량 산출 방식을 이용하여 생성한 SSI들을 기초로, 결합 문턱값 이 1인 OR 규칙에 따라 PU 신호의 존재를 판정하였을 때의 성능 지수 그래프이다.
각각의 그래프에 대해, ROC 성능 지수로서 오경보 확률(PF)이 가로축에 표시되고 미검출 확률(PM)이 세로축에 표시된다.
다시 말해, 각 그래프는 주어진 오경보 확률에 대하여, 특정 통계 검정량과 계수 규칙의 조합에 따른 미검출 확률을 나타낸다. 동일한 오경보 확률에 대하여 미검출 확률이 낮을수록, 협력 무선 인지 통신 시스템의 스펙트럼 센싱 성능이 우수하다고 해석할 수 있다.
도 6을 참조하면, 두 개의 CR은 α=2인 가우시안 잡음 환경이고, 두 개는 α=1인 코시 잡음 환경인 잡음 환경 1인 경우에, 동일한 오경보 확률 예를 들어 PF=0.1인 상황에서, 종래의 GLRTG 방식에서는 미검출 확률 PM이 AND 규칙에서 0.8 정도이고, MJ 규칙에서는 0.6 정도, OR 규칙에서는 0.5 정도로 높은 편이고, 종래의 GLRTC 방식에서는 미검출 확률 PM이 AND 규칙에서 0.7 정도이고 OR 규칙 또는 MJ 규칙에서는 0.5 안팎으로 높은 편이다.
반면에, 본 발명의 GSOG 방식에서는, 미검출 확률 PM이 AND 규칙에서 0.5 정도로 좋진 않지만, OR 규칙 및 MJ 규칙에서 0.2 ~ 0.3 수준으로 상당히 개선되었고, 본 발명의 GSOC 방식에서도 미검출 확률 PM이 AND 규칙에서 0.5 정도로 좋지는 않지만, OR 규칙 및 MJ 규칙에서 0.2 ~ 0.3 수준으로 상당히 개선되었다.
도 7을 참조하면, 네 CR 모두 α=1.5인 잡음 환경 2인 경우에, 동일한 오경보 확률 예를 들어 PF=0.1인 상황에서, 종래의 GLRTG 방식에서는 미검출 확률 PM이 모든 계수 규칙에서 0.9 내외로 매우 높고, 종래의 GLRTC 방식에서는 다소 개선되기는 했지만 미검출 확률 PM이 모든 계수 규칙에서 0.5 내외로 높은 편이다.
반면에, 본 발명의 GSOG 방식에서는 미검출 확률 PM이 OR 규칙 및 MJ 규칙에서 0.1 ~ 0.2 수준으로 대단히 개선되었고 AND 규칙에서 0.4 수준으로 다소 개선되었으며, 유사하게, 본 발명의 GSOC 방식에서도 미검출 확률 PM이 OR 규칙 및 MJ 규칙에서 0.1 ~ 0.2 수준으로 대단히 개선되었고 AND 규칙에서 0.4 수준으로 다소 개선되었다.
도 8을 참조하면, 네 CR 모두 α=1인 코시 잡음 환경인 잡음 환경 3인 경우에, 동일한 오경보 확률 예를 들어 PF=0.1인 상황에서, 종래의 GLRTG 방식에서는 미검출 확률 PM이 모든 계수 규칙에서 0.9 내외로 매우 높고, 종래의 GLRTC 방식에서도 미검출 확률 PM이 모든 계수 규칙에서 0.8 내외로 높은 편이다.
반면에, 본 발명의 GSOG 방식에서는 미검출 확률 PM이 OR 규칙 및 MJ 규칙에서 0.1 ~ 0.2 수준으로 대단히 개선되었고 AND 규칙에서 0.4 수준으로 다소 개선되었으며, 유사하게, 본 발명의 GSOC 방식에서도 미검출 확률 PM이 OR 규칙 및 MJ 규칙에서 0.1 ~ 0.2 수준으로 대단히 개선되었고 AND 규칙에서 0.4 수준으로 다소 개선되었음을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명이 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이와 균등하거나 또는 등가적인 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다 할 것이다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 기록매체의 예로는 ROM, RAM, 광학 디스크, 자기 테이프, 플로피 디스크, 하드 디스크, 비휘발성 메모리 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
10 협력 무선 인지 통신 시스템
11 무선 인지 통신 장치들(CR) 111 스펙트럼 센싱부
112 무선 인지 제어부 113 무선 통신 모듈
12 결합 센터(FC) 121 PU 신호 판정부
122 문턱값 최적화부 123 동적 대역 관리부
20 무선 인지 통신 장치 21 스펙트럼 센싱부
211 샘플링부 212 샘플 선택부
213 검정부 214 SSI 생성부
22 무선 인지 제어부 23 무선 통신 모듈
11 무선 인지 통신 장치들(CR) 111 스펙트럼 센싱부
112 무선 인지 제어부 113 무선 통신 모듈
12 결합 센터(FC) 121 PU 신호 판정부
122 문턱값 최적화부 123 동적 대역 관리부
20 무선 인지 통신 장치 21 스펙트럼 센싱부
211 샘플링부 212 샘플 선택부
213 검정부 214 SSI 생성부
22 무선 인지 제어부 23 무선 통신 모듈
Claims (22)
- 일차 사용자(PU)에게 할당된 대역을 일차 사용자가 현재 점유 중인지 알기 위해 해당 대역에서 검출된 무선 신호를 다운컨버팅한 기저 대역 신호를 샘플링하고, 샘플링 결과에 따라 PU 신호의 검출 여부에 관한 스펙트럼 센싱 정보(SSI)를 생성하는 M 개의 무선 인지 통신 장치들(CR); 및
통신 환경이 최대 간섭 조건을 포함하여 주어지는 경우에 이차 사용자(SU) 신호의 기대 평균 전송량을 최대로 할 수 있도록 결합 문턱값 를 결정하는 문턱값 최적화부와, 상기 M 개의 무선 인지 통신 장치들의 각각으로부터 스펙트럼 센싱 정보를 수신하고 상기 M 개의 무선 인지 통신 장치들로부터 각각 수신된 M 개의 SSI들로부터 결합 검정 통계량을 산출하며 산출된 결합 검정 통계량을 상기 결합 문턱값 에 비교하여 PU 신호의 존재 여부를 판정하는 PU 신호 판정부를 포함하는 결합 센터(FC)를 포함하고,
상기 문턱값 최적화부는,
만약 최대 간섭 조건이 상대적으로 가장 엄격한 경우에는 상기 결합 문턱값 를 1로 결정하고,
만약 최대 간섭 조건이 상대적으로 가장 여유있는 경우에는 상기 결합 문턱값 를 M으로 결정하며,
만약 최대 간섭 조건이 상대적으로 가장 엄격한 경우와 가장 여유있는 경우의 사이에 주어지는 경우에는 다음 수학식
을 만족하는 결합 문턱값 을 결정하도록 동작하고,
여기서, pfa는 어느 한 CR의 오경보 확률, pd는 어느 한 CR의 검파 확률을 의미하며, R은 SU 신호의 설계 전송량, x는 M 개의 CR들 중에서 PU 신호를 검출한 CR들의 개수, MCM-x는 M 개의 CR들 중에서 M-x 개의 CR들이 선택되는 경우의 수를 의미하는 조합 연산, C는 SU 신호가 PU 신호에 미치는 간섭의 크기, 는 주어진 최대 간섭 크기 조건인 것을 특징으로 하는 협력 무선 인지 통신 시스템. - 삭제
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- 청구항 1에 있어서, 상기 결합 센터는,
전체 스펙트럼에 걸쳐 PU 신호가 존재하는 대역 및 비어 있는 대역에 관한 정보를 지속적으로 관리하고 이차 사용자(SU)의 대역 사용 요청 및 PU 신호의 존재 여부 판정에 따라, 이차 사용자에게 비어 있는 대역을 할당하거나 이차 사용자가 사용 중인 대역을 회수하거나 변경하도록 제어하는 동적 대역 관리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 협력 무선 인지 통신 시스템. - 청구항 1에 있어서, 상기 무선 인지 통신 장치는 샘플링 결과에 따라 PU 신호의 검출 여부에 관한 SSI를 생성하는 스펙트럼 센싱부를 포함하며,
상기 스펙트럼 센싱부는,
수신된 기저 대역 신호를 샘플링하고, 샘플링된 N 개의 샘플들로 구성된 관측 샘플 벡터 ={ym(1), ym(2), ..., ym(N)}(m은 1≤m≤M인 정수)을 생성하는 샘플링부;
관측 샘플 벡터 을 크기가 작은 순서대로 재배열한 순서 통계량 중에서 크기가 작은 순서로 개(은 1≤≤N인 정수)의 선택적 관측 샘플들을 선택하는 샘플 선택부;
주어진 잡음 환경에서 상기 개의 선택적 관측 샘플들에 기초한 일반화 우도 비율 검정 기법에 따른 검정 통계량 을 산출하는 검정부; 및
주어진 잡음 환경에서 산출된 검정 통계량 을 주어진 국부 문턱값 λm에 비교하여 수신된 기저 대역 신호가 PU 신호인지 판정하여 SSI를 생성하는 SSI 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 협력 무선 인지 통신 시스템. - 청구항 7에 있어서, 상기 검정부는,
비정규 충격성 잡음 환경이 이변수 등방형 대칭 알파 안정 분포(BISαS 분포)를 따르는 것으로 모형화되었을 때에, 다음 수학식
에 따라, m 번째(m은 1≤m≤M인 정수) CR의 ℓ 번째(ℓ은 1≤ℓ≤k인 정수) 선택적 관측 샘플 의 절대값을 제곱하고, 으로 나눈 다음 1과 더해진 값에 자연 로그를 한 결과들을 모두 합산하여 검정 통계량 을 산출하며,
여기서, , 은 m 번째 CR에 대한 BISαS 분포의 확률 밀도 함수의 산포도(dispersion)인 것을 특징으로 하는 협력 무선 인지 통신 시스템. - 협력 무선 인지 네트워크를 구성하는 M 개의 무선 인지 통신 장치들의 각각으로부터 스펙트럼 센싱 정보(SSI)를 수신하고, 상기 M 개의 SSI들로부터 결합 검정 통계량을 산출하며 산출된 결합 검정 통계량을 결합 문턱값 에 비교하여 PU 신호의 존재 여부를 판정하는 PU 신호 판정부; 및
최대 간섭 조건을 포함하는 주어진 통신 환경에 따라 이차 사용자(SU) 신호의 기대 평균 전송량을 최대로 할 수 있도록 상기 결합 문턱값 를 결정하는 문턱값 최적화부를 포함하고,
상기 문턱값 최적화부는
만약 최대 간섭 조건이 상대적으로 가장 엄격한 경우에는 상기 결합 문턱값 를 1로 결정하고,
만약 최대 간섭 조건이 상대적으로 가장 여유있는 경우에는 상기 결합 문턱값 를 M으로 결정하며,
만약 최대 간섭 조건이 상대적으로 가장 엄격한 경우와 가장 여유있는 경우의 사이에 주어지는 경우에는 다음 수학식
을 만족하는 결합 문턱값 을 결정하도록 동작하고,
여기서, pfa는 어느 한 CR의 오경보 확률, pd는 어느 한 CR의 검파 확률을 의미하며, R은 SU 신호의 설계 전송량, x는 M 개의 CR들 중에서 PU 신호를 검출한 CR들의 개수, MCM-x는 M 개의 CR들 중에서 M-x 개의 CR들이 선택되는 경우의 수를 의미하는 조합 연산, C는 SU 신호가 PU 신호에 미치는 간섭의 크기, 는 주어진 최대 간섭 크기 조건인 것을 특징으로 하는 협력 무선 인지 네트워크를 위한 결합 센터. - 삭제
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- 청구항 11에 있어서,
전체 스펙트럼에 걸쳐 PU 신호가 존재하는 대역 및 비어 있는 대역에 관한 정보를 지속적으로 관리하고 이차 사용자(SU)의 대역 사용 요청 및 PU 신호의 존재 여부 판정에 따라, 이차 사용자에게 비어 있는 대역을 할당하거나 이차 사용자가 사용 중인 대역을 회수하거나 변경하도록 제어하는 동적 대역 관리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 협력 무선 인지 네트워크를 위한 결합 센터. - M 개의 무선 인지 통신 장치(CR)들과 결합 센터(FC)로 구성된 협력 무선 인지 통신 시스템의 스펙트럼 센싱 방법으로서,
각각의 무선 인지 통신 장치가, 수신한 기저 대역 신호를 샘플링하는 단계;
각각의 무선 인지 통신 장치가, 샘플링된 N 개의 샘플들로 구성된 관측 샘플 벡터 (m은 1≤m≤M인 정수)을 크기가 작은 순서대로 재배열한 순서 통계량 중에서 크기가 작은 순서로 개의 선택적 관측 샘플들을 선택하는 단계;
각각의 무선 인지 통신 장치가, 주어진 잡음 환경에서 개의 선택적 관측 샘플들에 기초한 일반화 우도 비율 검정 기법(GSO)에 따른 검정 통계량 을 산출하는 단계;
각각의 무선 인지 통신 장치가, 산출된 검정 통계량 과 주어진 국부 문턱값 λm에 비교하여 수신된 기저 대역 신호가 일차 사용자(PU) 신호인지 여부의 판정에 기초하여 스펙트럼 센싱 정보(SSI)를 생성하고 생성된 스펙트럼 센싱 정보를 결합 센터에 각각 전송하는 단계;
상기 결합 센터가, 최대 간섭 조건을 포함하는 주어진 통신 환경에 따라 이차 사용자(SU) 신호의 기대 평균 전송량을 최대로 할 수 있는 결합 문턱값 를 결정하는 단계; 및
상기 결합 센터가, 상기 M 개의 무선 인지 통신 장치들로부터 각각 수신된 M 개의 SSI들로부터 결합 검정 통계량을 산출하고, 산출된 결합 검정 통계량을 소정의 계수 규칙에 따라 주어진, 또는 결정된 결합 문턱값 에 비교하여 PU 신호의 존재 여부를 판정하는 단계를 포함하고,
상기 결합 센터가 결합 문턱값 를 결정하는 단계는,
만약 최대 간섭 조건이 상대적으로 가장 엄격한 경우에는 상기 결합 문턱값 를 1로 결정하는 단계;
만약 최대 간섭 조건이 상대적으로 가장 여유있는 경우에는 상기 결합 문턱값 를 M으로 결정하는 단계; 및
만약 최대 간섭 조건이 상대적으로 가장 엄격한 경우와 가장 여유있는 경우의 사이에 주어지는 경우에는 다음 수학식
을 만족하는 결합 문턱값 을 결정하는 단계를 포함하고,
여기서, pfa는 어느 한 CR의 오경보 확률, pd는 어느 한 CR의 검파 확률을 의미하며, R은 SU 신호의 설계 전송량, x는 M 개의 CR들 중에서 PU 신호를 검출한 CR들의 개수, MCM-x는 M 개의 CR들 중에서 M-x 개의 CR들이 선택되는 경우의 수를 의미하는 조합 연산, C는 SU 신호가 PU 신호에 미치는 간섭의 크기, 는 주어진 최대 간섭 크기 조건인 것을 특징으로 하는 협력 무선 인지 통신 시스템의 스펙트럼 센싱 방법. - 삭제
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- 청구항 16에 있어서, 검정 통계량 을 산출하는 단계는,
비정규 충격성 잡음 환경이 이변수 등방형 대칭 알파 안정 분포(BISαS 분포)를 따르는 것으로 모형화되었을 때에, 다음 수학식
에 따라, m 번째(m은 1≤m≤M인 정수) CR의 ℓ 번째(ℓ은 1≤ℓ≤k인 정수) 선택적 관측 샘플 의 절대값을 제곱하고, 으로 나눈 다음 1과 더해진 값에 자연 로그를 한 결과들을 모두 합산하여 검정 통계량 을 산출하며,
여기서, , 은 m 번째 CR에 대한 BISαS 분포의 확률 밀도 함수의 산포도인 것을 특징으로 하는 협력 무선 인지 통신 시스템의 스펙트럼 센싱 방법.
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