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KR101531394B1 - 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 시스템 및 그 제어 방법 Download PDF

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KR101531394B1
KR101531394B1 KR1020140192487A KR20140192487A KR101531394B1 KR 101531394 B1 KR101531394 B1 KR 101531394B1 KR 1020140192487 A KR1020140192487 A KR 1020140192487A KR 20140192487 A KR20140192487 A KR 20140192487A KR 101531394 B1 KR101531394 B1 KR 101531394B1
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KR
South Korea
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김동인
정국현
이선의
박주현
김진영
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성균관대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 에너지 하베스팅을 수행하는 기지국, 면허 단말기와 상기 기지국의 통신 커버리지 내에서 인지 무선을 수행하는 비면허 단말기를 포함하고, 상기 비면허 단말기는 상기 기지국 및 상기 면허 단말기가 사용하지 않는 것으로 판단되는 주파수 대역을 이용하여 비면허 단말기 상호간 통신을 수행할 수 있는 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 클러스터 대표는 비면허 단말기에서 생성된 신호 검출 여부 정보 및 신호 검출 확률 정보 및 기지국에서 생성된 우선순위 정보에 기초하여 가용 주파수 목록 정보를 생성할 수 있으며, 클러스터는 상기 가용 주파수 목록 정보에 따른 주파수 대역을 사용함으로써 신호의 혼선 및 간섭을 방지할 수 있다.

Description

에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 시스템 및 그 제어 방법{A cognitive radio system for energy harvesting and a method for controlling thereof}
본 발명은 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 에너지 하베스팅시 사용되는 주파수 대역을 감지함으로써 신호의 혼선 및 간섭을 방지하기 위한 인지 무선 시스템에 관한 것이다.
정보 통신 기술의 발달에 따라 모든 전기전자 단말기의 무선 통신이 일반화되고 있으며, 우리가 생각할 수 있는 거의 모든 제품에 무선 통신을 위한 모듈이 삽입될 수 있다. 이렇듯, 무선 통신을 위한 주파수 대역에 대한 수요는 증가하고 있지만 주파수 대역은 한정되어 있으므로, 상기 한정된 주파수 대역을 누가 사용할 것인지에 대한 갈등이 심화되고 있는 실정이다.
최근, 한정된 주파수 대역을 효율적으로 사용하는, 주파수 대역의 ‘유연한 사용(flexible use)’이라는 아이디어가 대두되고 있다. 통신을 위해 할당된 주파수 대역이 항상 사용중인 것은 아니므로, 상기 유휴 주파수 대역을 비면허 단말기로 하여금 사용케 한다는 것이다. 이를 위해, 상기 비면허 단말기는 현재 주파수 대역이 사용 중인지 여부를 판단할 필요가 있다. 이와 관련된 기술이 인지 무선(Cognitive Radio)이다.
한편, 각종 통신 단말기에서 발생되는 전파를 수집하여 이를 전기 에너지로 변환하는 기술을 무선 에너지 하베스팅(RF energy harvesting)이라고 한다. 최근, 대부분의 사람들이 스마트폰을 비롯하여 적어도 하나의 무선 단말기를 사용하고 있는데, 각 단말기를 매번 별도로 충전하는 것이 상당히 번거로울 때가 있다. 상기 무선 에너지 하베스팅 기술을 각 단말기에 적용함으로써 사용자는 보다 용이하게 각 단말기의 전력 충전량을 관리할 수 있다.
상기 무선 에너지 하베스팅 기술이 보편화되기 위해서는 우선적으로 해결되어야 할 과제가 있다. 우리는 각종의 무선 단말기가 혼재되어있는 통신 환경을 가정해볼 수 있다. 이 때, 특정 무선 장치들 사이에서 에너지 하베스팅을 위한 무선 전력 에너지 빔포밍 등이 수행되는 경우, 상기 에너지 하베스팅을 위해 사용중인 주파수 대역을 다른 무선 단말기에서 사용하지 못하도록 해야한다. 특히, 상기 다른 무선 단말기가 해당 주파수 대역을 사용하도록 허가된 면허 단말기가 아닌 경우, 이 문제는 더욱 심화될 수 있다. 이를 해결하기 위해 인지 무선 기술이 적용될 수 있다.
현재까지 상기 무선 에너지 하베스팅 및 상기 인지 무선 각각에 대한 연구가 진행되어 왔다. 하지만, 무선 에너지 하베스팅과 인지 무선 기술을 동시에 고려한 시스템에 대한 연구는 아직 본격적으로 진행되고 있지 않다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 기지국과 면허 단말기가 무선 통신 및 에너지 하베스팅을 수행 중일 때, 주변의 비면허 단말기가 사용 가능한 주파수 대역을 감지하고 해당 주파수 대역의 사용 여부를 판단할 수 있는 인지 무선 시스템을 제공하고자 하는 목적을 가지고 있다.
이에 더하여, 본 발명은 비면허 단말기가 올바르게 상기 주파수 대역의 사용 가능 여부를 판단함으로써, 기지국과 면허 단말기 사이의 통신 신호와 비면허 단말기들 사이의 통신 신호가 혼선을 일으키는 것을 방지하고자 하는 목적도 가지고 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따르면, 무선 통신 및 무선 전력 에너지 송신을 수행하는 기지국; 상기 기지국과 무선 통신을 수행하고 상기 기지국으로부터 무선 전력 에너지를 수신하는 면허(licensed) 단말기; 및 상기 기지국의 무선 통신 커버리지 내에서 클러스터(cluster)를 형성하며, 상호간 및 상기 면허 단말기와 무선 통신을 수행하는 복수의 비면허(unlicensed) 단말기; 를 포함하고, 상기 기지국과 상기 면허 단말기는 무선 통신 신호 및 무선 전력 에너지 신호를 송수신하고, 상기 클러스터 내의 비면허 단말기들 중 한 단말기는 클러스터 대표로 선정되고, 상기 클러스터 내의 각 비면허 단말기는, 상기 기지국 및 상기 면허 단말기에서 발신된 상기 무선 통신 신호 및 상기 무선 전력 에너지 신호를 수신하고, 수신한 상기 무선 통신 신호 및 상기 무선 전력 에너지 신호로부터 각 주파수 대역별 신호 검출 여부 정보 및 신호 검출 확률 정보를 계산하고, 상기 클러스터 대표가 아닌 비면허 단말기는 상기 신호 검출 여부 정보 및 신호 검출 확률 정보를 상기 클러스터 대표로 전송하고, 상기 클러스터 대표는, 상기 상기 신호 검출 여부 정보 및 신호 검출 확률 정보에 기초하여 해당 클러스터에서 사용할 수 있는 가용 주파수 목록 정보를 생성하고, 상기 가용 주파수 목록 정보를 상기 클러스터 대표가 아닌 비면허 단말기로 전송하되, 상기 가용 주파수 목록 정보는 상기 무선 전력 에너지 신호가 송수신될 때 사용되는 주파수 대역이 제외되는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 시스템을 제공할 수 있다.
여기서, 상기 클러스터 대표는, 상기 신호 검출 확률 정보가 기설정된 기준값 미만인 경우, 해당 신호 검출 확률 정보와 연관된 상기 신호 검출 여부 정보의 신뢰도가 낮은 것으로 판단하고, 상기 가용 주파수 목록 정보를 생성할 때 상기 신뢰도가 낮은 신호 검출 여부 정보를 참조하지 않는다.
여기서, 상기 가용 주파수 목록 정보는, 상기 각 면허 단말기의 시간에 따른 주파수 대역 사용 패턴 정보, 상기 주파수 대역 사용 패턴 정보로부터 유추된 주파수 대역 사용 가능성 정보 및 상기 주파수 사용 가능성 정보를 참조하여 생성된 주파수 대역 선택 정보를 포함한다.
여기서, 상기 기지국은 상기 면허 단말기로부터 수신된 상기 면허 단말기의 전력 충전량 정보에 기초하여 무선 전력 에너지 송신의 우선순위 정보를 생성하고, 상기 우선순위 정보에 기초하여 상기 면허 단말기로 무선 전력 에너지를 빔포밍하되,
여기서, 상기 기지국과 상기 면허 단말기는 무선 통신 신호 및 무선 전력 에너지 신호를 송수신할 때 상기 우선순위 정보 및 상기 면허 단말기의 고유 식별 번호를 발신하고, 상기 클러스터 대표는, 상기 우선순위 정보 및 상기 고유 식별 번호를 더 수신하고, 상기 고유 식별 번호와 연관된 우선순위 정보가 기 설정된 값 이상인 경우, 상기 주파수 대역 사용 패턴 정보를 참조하여 해당 면허 단말기에 의해 사용된 주파수 대역을 중심으로 기 설정된 범위 내의 주파수 대역을 산출하고, 상기 산출된 주파수 대역의 사용 가능성이 낮은 것으로 판단하고, 상기 주파수 대역 선택 정보에 상기 산출된 주파수 대역을 포함시키지 않는다.
여기서, 상기 클러스터에 포함된 각 비면허 단말기는 해당 클러스터에서 사용중인 주파수 대역에 대한 주파수 대역 선택 정보를 발신하고, 상기 주파수 선택 정보를 수신한 면허 단말기는 이를 상기 기지국으로 전송하고, 상기 기지국은, 상기 주파수 선택 정보에 포함된 주파수 대역이 무선 통신 및 무선 전력 에너지 송수신시 사용될 것으로 판단되는 경우, 해당 주파수 대역이 상기 클러스터에서 사용될 수 없음을 알리는 주파수 사용 금지 정보를 생성하고, 기 설정된 유예시간 정보 및 상기 주파수 사용 금지 정보를 상기 주파수 선택 정보를 수신한 상기 면허 단말기 및 상기 클러스터로 송신하고, 상기 기지국 및 상기 주파수 선택 정보를 수신한 상기 면허 단말기로부터 상기 주파수 사용 금지 정보를 전송 받은 상기 클러스터 대표는, 해당 클러스터에서 사용중인 주파수 대역을 상기 유예시간 이내에 변경한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 기지국 및 면허 단말기에서 발신된 무선 통신 신호 및 무선 전력 에너지 신호를 수신하는 단계; 상기 무선 통신 신호 및 상기 무선 전력 에너지 신호로부터 각 주파수 대역별 신호 검출 여부 정보 및 신호 검출 확률 정보를 계산하는 단계; 상기 신호 검출 여부 정보 및 상기 신호 검출 확률 정보에 기초하여 클러스터에서 사용할 수 있는 가용 주파수 목록 정보를 생성하는 단계; 및 상기 가용 주파수 목록 정보를 해당 클러스터 내의 각 비면허 단말기로 전송하는 단계; 를 포함하되, 상기 가용 주파수 목록 정보는 상기 무선 전력 에너지 신호가 송수신될 때 사용되는 주파수 대역이 제외되는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 시스템의 제어 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 신호 검출 확률 정보를 참조하여 신호 검출 여부 정보의 신뢰도를 평가할 수 있고, 신뢰도가 낮은 신호 검출 여부 정보를 가용 주파수 목록 정보를 생성할 때 사용하지 않음으로써, 기지국 및 면허 단말기가 해당 주파수 대역을 사용 중인지 여부를 보다 명확하게 판별할 수 있다. 이를 통해 통신 신호의 혼선 및 간섭을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 클러스터 대표는 가용 주파수 목록 정보를 통해 주파수 대역의 사용 여부를 용이하게 판단할 수 있다.
특히, 특정 면허 단말기에 대한 에너지 송신의 우선순위가 기 설정된 값 이상인 경우, 해당 면허 단말기가 사용했던 주파수 대역을 중심으로 기 설정된 범위 내의 주파수 대역을 산출할 수 있고, 상기 산출된 주파수 대역을 비면허 단말기에서 사용하지 않음으로써 무선 에너지 하베스팅시 신호의 혼선을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 가용 주파수 목록 정보의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 3은 우선순위 정보가 적용되는 경우에 생성될 수 있는 가용 주파수 목록 정보의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 시스템의 제어 방법을 나타낸 도면이다.
본 발명은 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 에너지 하베스팅을 수행하는 기지국, 면허 단말기와 상기 기지국의 통신 커버리지 내에서 인지 무선을 수행하는 비면허 단말기를 포함하고, 상기 비면허 단말기는 상기 기지국 및 상기 면허 단말기가 사용하지 않는 것으로 판단되는 주파수 대역을 이용하여 비면허 단말기 상호간 통신을 수행할 수 있는 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 시스템(1000)을 나타낸 도면이다. 도 1에서 1점 쇄선은 기지국(100)의 통신 커버리지를 의미하고, 점선은 비면허 단말기(300a, 300b, 300c, 300d)에 의해서 형성된 클러스터를 의미한다. 또한, 도 1에서 원은 각 비면허 단말기(300a, 300b, 300c, 300d)를 의미하며, 특히 흑색 원은 클러스터 헤더(300a)를 의미한다. 도 1에서 실선은 무선 전력 에너지의 흐름을 의미하고 파선은 그외 통신 신호의 흐름을 나타낸다.
도 1에 따르면, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 시스템(1000)은 기지국(100), 면허 단말기(200a, 200b, 200c) 및 비면허 단말기(300a, 300b, 300c, 300d)를 포함할 수 있다.
기지국(100)은 무선 통신 및 무선 전력 에너지 송신을 수행할 수 있다. 기지국(100)과 후술할 면허 단말기(200a, 200b, 200c)는 정해진 주파수 대역을 통해 통신 신호를 송수신할 수 있다. 이 때, 상기 기지국(100)은 블루투스(Bluetooth), 와이파이(WIFI), 지그비(ZigBee), 가시광 통신 및 3G, LTE 등의 기타 데이터 통신 방식을 통해 면허 단말기(200a, 200b, 200c)와 무선 통신을 수행할 수 있으나 무선 통신 방식은 이에 한정되지 않는다. 바람직한 실시예에 따르면, 기지국(100)은 각 면허 단말기(200a, 200b, 200c)와 무선 신호를 송수신할 때 참조되는 통신 파라미터에 기초하여 각 면허 단말기의 위치 정보를 계산할 수 있다. 또는, 기지국(100)은 GPS 등을 통해 파악된 각 면허 단말기(200a, 200b, 200c)의 위치 정보를 해당 면허 단말기로부터 수신할 수 있다. 기지국(100)은 상기 위치 정보에 기초하여 각 면허 단말기(200a, 200b, 200c)로 무선 전력 에너지를 빔포밍(beamforming) 할 수 있다.
면허 단말기(licensed device)(200a, 200b, 200c)는 상기 기지국(100)과 무선 통신을 수행하고 상기 기지국(100)으로부터 무선 전력 에너지를 수신할 수 있다. 면허 단말기(200a, 200b, 200c)는 상기 기지국(100)과 무선 통신을 수행할 때, 정해진 주파수 대역을 통해 통신 신호를 송수신할 수 있다. 상기 면허 단말기(200a, 200b, 200c)는 사용자의 생체 정보를 감지하는 휴대용 헬스케어 단말기, 스마트폰, 노트북, 스마트 타블렛, 서버 등일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
비면허 단말기(unlicensed device)(300a, 300b, 300c, 300d)는 상기 기지국(100)의 무선 통신 커버리지 내에서 클러스터(cluster)를 형성하며, 상호간 및 상기 면허 단말기(200a, 200b, 200c)와 무선 통신을 수행할 수 있다. 상기 클러스터는 복수의 비면허 단말기로 구성되는 애드 혹 네트워크(ad-hoc network)일 수 있다. 비면허 단말기(300a, 300b, 300c, 300d)는 상기 클러스터를 형성하기 위해 복수 개로 구비될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 비면허 단말기(300a, 300b, 300c, 300d)는 사용자의 편의를 위해 사용되는 무선 통신이 가능한 휴대용 PC, 스마트폰, 헬스케어 단말기 및 고정형 서버 등이 될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
비면허 단말기(300a, 300b, 300c, 300d)는 상기 기지국(100)과 상기 면허 단말기(200a, 200b, 200c)가 사용하지 않는 주파수 대역을 검색하고, 상기 주파수 대역이 사용 가능한 것으로 판별되는 경우, 해당 주파수 대역을 이용하여 비면허 단말기(300a, 300b, 300c, 300d) 상호간 및 상기 면허 단말기(200a, 200b, 200c)와 무선 통신을 수행할 수 있다.
상기 클러스터 내의 비면허 단말기들(300a, 300b, 300c, 300d)은 무선 통신을 수행할 수 있는 상기 면허 단말기(200a, 200b, 200c)를 감지하고, 상기 감지된 면허 단말기의 개수가 가장 많은 비면허 단말기가 클러스터 대표로 선정될 수 있다. 도 1에 따르면, 비면허 단말기 300a가 클러스터 대표로 선정되었다.
상기 기지국(100)은, 상기 면허 단말기(200a, 200b, 200c)로부터 수신된 상기 면허 단말기의 전력 충전량 정보에 기초하여 무선 전력 에너지 송신의 우선순위 정보를 생성할 수 있다. 즉, 바람직한 실시예에 따르면, 상기 기지국(100)은 각 면허 단말기(200a, 200b, 200c)의 전력 충전량 정보를 감지할 수 있다. 기지국(100)은 면허 단말기(200a, 200b, 200c)의 전력 충전량이 기 설정된 한계값 미만인 경우, 해당 면허 단말기에 대한 무선 전력 에너지 송신의 우선순위를 기존보다 상승시킬 수 있다. 기지국(100)은 상기 우선순위 정보에 기초하여 상기 면허 단말기(200a, 200b, 200c)로 무선 전력 에너지를 빔포밍할 수 있으며, 이를 통해 상기 면허 단말기(200a, 200b, 200c)는 상기 기지국(100)의 커버리지 내에 위치하는 경우, 자동적으로 무선으로 전력을 충전할 수 있다. 상기 기지국(100) 및 상기 면허 단말기(200a, 200b, 200c)는, 무선 통신 및 무선 전력 에너지 송수신을 수행할 때, 사용 중인 주파수 대역 정보를 나타내는 정규 주파수 사용 정보 및 상기 우선순위 정보를 함께 발신할 수 있다. 상기 정규 주파수 사용 정보는 기지국(100) 및 면허 단말기(200a, 200b, 200c)에서 사용 중인 주파수 대역 정보, 상기 면허 단말기의 고유 식별 번호 및 사용 시간 정보를 포함할 수 있다.
클러스터 내의 비면허 단말기들(300a, 300b, 300c, 300d)은 상기 기지국(100) 및 상기 면허 단말기(200a, 200b, 200c)에서 발신된 상기 무선 통신 신호, 상기 무선 전력 에너지 신호, 상기 정규 주파수 사용 정보, 감지된 면허 단말기의 고유 식별 번호 및 상기 우선순위 정보를 수신할 수 있다. 그리고, 클러스터 내의 비면허 단말기들(300a, 300b, 300c, 300d)은 수신한 상기 무선 통신 신호 및 상기 무선 전력 에너지 신호로부터 각 주파수 대역별 신호 검출 여부 정보 및 신호 검출 확률 정보를 계산할 수 있다.
비면허 단말기의 수가 M개 이고, 면허 단말기에서 각 비면허 단말기로의 방향 벡터를 알고 있는 경우 아래의 가중치 행렬 WB을 가정할 수 있다.
Figure 112014127366194-pat00001
위 식에서 w1 내지 wM은 면허 단말기에서 각 비면허 단말기로의 방향을 나타내는 1차원 행렬일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상가 가중치 행렬을 이용하여, 상기 M개의 비면허 단말기에서 수신되는 수신 신호의 총합 r(t)는 다음 수식을 통해 표현될 수 있다.
Figure 112014127366194-pat00002
수학식 2에서 h1 내지 hM은 각 통신 채널의 상수를 의미하고, s(t)는 면허 단말기에서 송신된 신호를 의미하고, n(t)는 부가 백색 가우스 잡음(Additive White Gaussian Noise, AWGN)를 의미하며, H1은 상기 수신 신호의 주파수 대역에 면허 단말기의 무선 통신 신호가 검출된 경우를 의미하고, H0는 상기 수신 신호의 주파수 대역에 면허 단말기의 무선 통신 신호가 검출되지 않는 경우를 의미한다. 본 발명을 실시하는 방식에 따라서, 비면허 단말기는 상기 계산된 r(t)값이 부가 백색 가우스 잡음에 가까운 경우 해당 주파수 대역에 면허 단말기의 신호가 존재하지 않음을 나타내는 신호 검출 여부 정보를 생성할 수 있다. 이와는 반대로, 비면허 단말기는 상기 계산된 r(t)값의 특성이 부가 백색 가우스 잡음의 특성과 상이한 경우 해당 주파수 대역에 면허 단말기의 신호가 존재함을 나타내는 신호 검출 여부 정보를 생성할 수 있다. 하지만 비면허 단말기가 r(t)값을 참조하여 신호 검출 여부 정보를 생성하는 방식은 이에 한정되지 않는다.
H1, 즉, 상기 수신 신호의 주파수 대역에 면허 단말기의 무선 통신 신호가 검출된 상황에서 Y가 상기 클러스터 내의 비면허 단말기가 수신한 신호 r(t)의 확률 변수로써 비중심 카이 제곱 분포(noncentral chi-square distribution)의 특성을 지니고, z가 수신 신호 r(t)의 주기와 대역폭의 곱이고, η가 오검출 경보(false alarm)에 따른 임계치 값이고, IM-1은 (M-1)차 변형된 베셀 함수(modified Bessel function)이고, Q가 일반화된 마쿰 Q 함수(generalized Marcum Q-function)를 의미할 때, 상기 수신 신호 r(t)에 대한 신호 검출 확률 PD는 다음 수식으로 계산될 수 있다.
Figure 112014127366194-pat00003
즉, 신호 검출 확률 PD는 상기 수신 신호의 주파수 대역에 면허 단말기의 무선 통신 신호가 검출된 상황에서 r(t)의 확률 변수가 오검출 경보 임계치 값보다 클 확률을 계산함으로써 도출될 수 있다. 수학식 3에서 SNRC는 각 비면허 단말기에서 계산되는 평균 신호 대 잡음 비(Signal-to-Noise Ratio)를 의미한다. 이 때, 상기 일반화된 마쿰 Q 함수 임의의 변수 m, a, b에 대해서 다음과 같다.
Figure 112014127366194-pat00004
그러므로, 수학식 3의 수식을 수학식 4에 적용하면 다음과 같은 수학식을 얻을 수 있다.
Figure 112014127366194-pat00005
비면허 단말기(300b, 300c, 300d)는 상기 정규 주파수 사용 정보, 상기 감지된 고유 식별 번호, 상기 신호 검출 여부 정보 및 상기 신호 검출 확률 정보를 조합하여 주파수 감지 정보를 생성할 수 있다. 그리고 비면허 단말기(300b, 300c, 300d)는 상기 주파수 감지 정보 및 상기 우선순위 정보를 클러스터 대표(300a)로 전송할 수 있다. 클러스터 대표(300a)도 클러스터를 구성하는 비면허 단말기이므로, 전술한 수식에 의해 신호 검출 여부 정보 및 신호 검출 확률 정보를 생성할 수 있으며, 상기 주파수 감지 정보도 생성할 수 있다.
클러스터 대표(300a)는, 상기 클러스터에 포함된 비면허 단말기 목록 정보를 생성하되, 상기 비면허 단말기 목록 정보를 기 설정된 단위 시간마다 갱신하고, 기 설정된 가용 주파수 검색 주기가 경과되거나 상기 단말기 목록 정보에 변동이 발생되는 경우, 상기 클러스터에 포함된 각 비면허 단말기(300b, 300c, 300d)로 상기 주파수 감지 정보 및 상기 우선순위 정보의 전송을 요구하는 제어 신호를 송신할 수 있다. 이를 통해 클러스터 대표(300a)는 항상 최신의 주파수 감지 정보 및 우선순위 정보를 확보할 수 있다.
클러스터 대표(300a)는 상기 주파수 감지 정보 및 상기 우선순위 정보에 기초하여 해당 클러스터에서 사용할 수 있는 가용 주파수 목록 정보를 생성할 수 있다. 가용 주파수 목록 정보는 클러스터에서 사용할 수 있는 주파수 대역을 분석한 결과 및 상기 분석 결과를 참조하여 선택된 주파수 대역 정보 등을 포함할 수 있다. 바람직한 예에 따르면, 상기 가용 주파수 목록 정보는, 상기 각 면허 단말기(200a, 200b, 200c)의 시간에 따른 주파수 대역 사용 패턴 정보, 상기 주파수 대역 사용 패턴 정보로부터 유추된 주파수 대역 사용 가능성 정보 및 상기 주파수 사용 가능성 정보를 참조하여 생성된 주파수 대역 선택 정보를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 상기 가용 주파수 목록 정보에 포함될 수 있는 각 정보에 대한 상세한 설명은 도 2 내지 도 3을 설명할 때 서술하도록 한다.
클러스터 대표(300a)는 각 비면허 단말기에서 생성된 신호 검출 여부 정보 및 신호 검출 확률 정보에 기초하여 주파수 대역의 사용 여부를 판단할 수 있지만, 기지국(100) 및 면허 단말기(200a, 200b, 200c)에서 생성되어 클러스터로 전송된 정규 주파수 사용 정보로부터 직접적으로 주파수 대역의 사용 여부를 판단할 수도 있다.
한편, 상기 클러스터 대표(300a)는, 상기 신호 검출 확률 정보가 기설정된 기준값 미만인 경우, 해당 신호 검출 확률 정보와 연관된 상기 신호 검출 여부 정보의 신뢰도가 낮은 것으로 판단하고, 상기 가용 주파수 목록 정보를 생성할 때 상기 신뢰도가 낮은 신호 검출 여부 정보를 참조하지 않을 수 있다. 이에 따라, 클러스터 대표(300a)는 신뢰도가 낮은 검출 신호 여부 정보와 연관된 주파수 대역을 사용할 수 없는 주파수 대역인 것으로 판단할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 클러스터 대표(300a)는 신호 검출 확률 정보에 기초하여 신호 검출 여부 정보의 사용 여부를 판별함으로써 보다 정밀하게 사용 가능한 주파수 대역을 검색할 수 있으며, 이로 인해 신호의 혼선 및 간섭을 방지할 수 있다.
클러스터 대표(300a)는 생성된 가용 주파수 목록 정보를 해당 클러스터 내의 각 비면허 단말기(300b, 300c, 300d)로 전송할 수 있다. 이를 수신한 클러스터 내의 비면허 단말기들은 상기 가용 주파수 목록 정보에 따른 주파수 대역을 통해 무선 통신을 수행함으로써 기지국(100) 및 면허 단말기(200a, 200b, 200c)에서 발신된 신호와의 혼선 및 간섭을 방지할 수 있다.
한편, 특정 주파수 대역을 클러스터에서 사용 중일 때 기지국(100) 및 면허 단말기(200a, 200b, 200c)가 해당 주파수 대역을 사용하는 경우 신호의 혼선 및 간섭이 발생될 수 있다. 이를 방지하기 위해, 상기 클러스터에 포함된 각 비면허 단말기(300a, 300b, 300c, 300d)는 해당 클러스터에서 사용중인 주파수 대역에 대한 주파수 대역 선택 정보를 발신할 수 있다. 상기 주파수 선택 정보를 수신한 면허 단말기는 이를 기지국(100)으로 전송할 수 있고, 상기 기지국(100)은, 상기 주파수 선택 정보에 포함된 주파수 대역이 무선 통신 및 무선 전력 에너지 송수신시 사용될 것으로 판단되는 경우, 해당 주파수 대역이 상기 클러스터에서 사용될 수 없음을 알리는 주파수 사용 금지 정보를 생성할 수 있다. 상기 기지국(100)은 기 설정된 유예시간 정보 및 상기 주파수 사용 금지 정보를 상기 주파수 선택 정보를 수신한 상기 면허 단말기 및 상기 클러스터로 송신할 수 있다. 만약 기지국(100)과 클러스터 사이의 직접적인 무선 통신이 수행될 수 없는 경우, 유예시간 정보 및 상기 주파수 사용 금지 정보를 기지국(100)의 통신 커버리지 내의 모든 곳으로 전송되도록 할 수 있다. 클러스터 대표(300a)는 상기 기지국(100) 및 상기 주파수 선택 정보를 수신한 상기 면허 단말기로부터 상기 주파수 사용 금지 정보를 수신할 수 있으며, 해당 클러스터에서 사용중인 주파수 대역을 상기 유예시간 이내에 변경할 수 있다.
클러스터 대표(300a)가 특정 주파수 대역이 사용가능한지 여부를 판단하는 방식은 전술한 방식에 의해 한정되지 않는다. 다른 실시예에 따르면, 클러스터 대표(300a)는 다음과 같은 방식을 통해 주파수 대역의 사용가능 여부를 판별할 수 있다. 클러스터 내의 비면허 단말기는 각 주파수 대역별 에너지 분포를 개별적으로 감지할 수 있으며, 각 주파수 대역의 에너지 분포가 기 설정된 임계값 이상인지 여부를 판별할 수 있다. 특정 대역의 에너지 분포가 기 설정된 임계값 이상인 것으로 판별되면, 비면허 단말기는 해당 주파수 대역에 면허 단말기의 신호가 존재하는 것으로 판단할 수 있다. 상기의 판단 방식은 클러스터 내의 모든 비면허 단말기에서 수행될 수 있으며, 각 비면허 단말기마다 각 주파수 대역별 신호의 존재 유무를 판별할 수 있다. 클러스터 대표(300a)는 각 비면허 단말기마다 생성된 각 주파수 대역별 신호의 존재 유무 정보를 취합하고, 특정 주파수 대역에 대하여 신호의 존재 유무 정보가 과반수가 넘는 경우, 해당 주파수 대역이 면허 단말기에 의해서 사용중인 것으로 판단할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 가용 주파수 목록 정보의 일 실시예를 나타낸 도면이다. 도 2(a)의 그래프에서 가로 축은 시간을 나타내며 세로 축은 주파수 대역을 나타낸다. 도 2(a)에 따르면 본 발명에 따른 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 시스템은 8개의 주파수 대역을 사용하는 것으로 표현되어 있으나, 이는 예시일 뿐 이에 한정되지 않는다. 도 2(a)의 그래프에서 세로 실선은 단위 시간을 구별하는 구분선이며, 세로 실선은 각 주파수 대역을 구분한다.
도 2(a)는 각 면허 단말기의 시간에 따른 주파수 대역 사용 패턴 정보를 나타내는 것으로, 도 2(a)에 따르면, 면허 단말기 200a는 주파수 대역 f2, f8을 사용하고, 면허 단말기 200b는 주파수 대역 f6, f7을 사용하며, 면허 단말기 200c는 주파수 대역 f1, f3, f4를 사용하고 있다. 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 각 면허 단말기는 할당된 주파수 대역을 항상 사용하는 것은 아니며, 사용하지 않는 주파수 대역(f5)도 존재한다. 본 발명에 따른 비면허 단말기는 유휴 주파수 대역을 검색할 수 있다.
도 2(b)는 도 2(a)의 주파수 대역 사용 패턴 정보로부터 주파수 대역 사용 가능성 정보를 유추하는 방식을 도시하고 있다. 각 주파수 대역 명칭 우측의 숫자들은 각 주파수 대역별 주파수 대역 사용 가능성 값을 의미하고, 우측의 그래프는 각 단위시간 구간별 면허 단말기의 점유 비율을 나타낸 것이다.
클러스터 대표는 각 주파수 대역에 대하여 단위시간 별 주파수 점유 비율을 계산할 수 있다. 도 2(b)에서 주파수 점유 비율이 25% 이상인 단위시간 구간은 흑색으로 도시되었으며, 해당 단위시간 구간은 면허 단말기에 의해서 점유된 것으로 판단할 수 있다. 상기 25%의 기준값은 발명을 실시하는 방식에 따라서 다르게 정해질 수 있다. 이에 따라, 클러스터 대표는 각 주파수 대역별 주파수 점유 비율이 25% 이상인 단위시간 구간을 카운트 할 수 있으며, 기 설정된 시간 구간 대비 면허 단말기에 의해서 점유된 단위시간 구간의 비율을 구할 수 있다. 주파수 대역 사용 가능성 정보는 상기 비율값에 기초하여 생성될 수 있다. 주파수 대역 사용 가능성 정보를 구하는 수식의 일 실시예는 다음과 같다.
Figure 112014127366194-pat00006
수학식 6에서 PB는 각 주파수 대역별 주파수 대역 사용 가능성 값을 의미하고, k는 면허 단말기에 의해서 점유된 단위시간 구간의 수, kref는 상기 기 설정된 시간 구간을 의미한다.
클러스터 대표는 상기 주파수 사용 가능성 정보를 참조하여 주파수 대역 선택 정보를 생성할 수 있다. 본 발명을 실시하는 방식에 따라서, 가장 큰 주파수 대역 사용 가능성 값을 지니는 주파수 대역을 클러스터에서 사용할 주파수 대역으로 선택할 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 상기 주파수 대역 사용 가능성 정보를 도출할 때 가중치를 적용할 수 있다. 도 2(b)에서, 주파수 대역 f4의 주파수 대역 가능성 값은 9/12지만, 해당 주파수 대역이 처음 세 단위시간 구간 동안만 사용되고, 그 이후에는 사용되지 않는다. 이 경우, 클러스터 대표는 주파수 대역이 사용되지 않는, 연속된 단위시간 구간의 수에 기초하여 주파수 대역 가능성 값에 가중치를 부가할 수 있다.
도 3은 우선순위 정보가 적용되는 경우에 생성될 수 있는 가용 주파수 목록 정보의 일 실시예를 나타낸 도면이다. 도 3은 도 2와 그래프의 구성이 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 도 3(a)는 면허 단말기 200b의 우선 순위가 기설정된 값 이상인 경우를 도시하고 있다. 대표 클러스터 대표는 면허 단말기의 고유 식별 번호와 연관된 우선순위 정보가 기 설정된 값 이상인 경우, 상기 주파수 대역 사용 패턴 정보를 참조하여 해당 면허 단말기에 의해 사용된 주파수 대역을 중심으로 기 설정된 범위 내의 주파수 대역을 산출하고, 상기 산출된 주파수 대역의 사용 가능성이 낮은 것으로 판단하고, 상기 주파수 대역 선택 정보에 상기 산출된 주파수 대역을 포함시키지 않을 수 있다.
면허 단말기 200b는 주파수 대역 f6 및 f7을 사용하고 있는데, 클러스터 대표는 주파수 대역 f5 내지 f8을 클러스터에서 사용하지 못하도록 할 수 있다. 도 3(b)에 따르면, 클러스터 대표는 주파수 대역 f5 내지 f8의 주파수 대역 사용 가능성 정보를 0으로 계산하거나 아예 계산하지 않는 방식으로 전술한 과정을 처리할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 시스템의 제어 방법을 나타낸 도면이다.
우선, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 시스템은 면허 단말기의 전력 충전량 정보에 기초하여 무선 전력 에너지 송신의 우선순위 정보를 생성(S110)할 수 있다. 바람직하게는, 상기 우선순위 정보는 기지국에서 생성될 수 있으며, 이를 통해 기지국은 전력 충전량이 부족한 면허 단말기에 무선 전력 에너지를 우선적으로 빔포밍할 수 있다. 그 후, 기지국 및 면허 단말기는 기지국 및 상기 면허 단말기에서 사용 중인 주파수 대역 정보를 나타내는 정규 주파수 사용 정보 및 상기 우선순위 정보를 발신(S120)할 수 있다. 바람직하게는, 클러스터를 형성하는 비면허 단말기에서 상기 기지국 및 상기 면허 단말기에서 발신된 상기 무선 통신 신호, 상기 무선 전력 에너지 신호, 상기 정규 주파수 사용 정보, 상기 감지된 면허 단말기의 고유 식별 번호 및 상기 우선순위 정보를 수신(S130)할 수 있다. 비면허 단말기는 상기 무선 통신 신호 및 상기 무선 전력 에너지 신호로부터 각 주파수 대역별 신호 검출 여부 정보 및 신호 검출 확률 정보를 계산(S140)할 수 있고, 상기 정규 주파수 사용 정보, 상기 감지된 고유 식별 번호, 상기 신호 검출 여부 정보 및 상기 신호 검출 확률 정보를 조합하여 주파수 감지 정보를 생성(S150)할 수 있다. 상기 주파수 감지 정보 및 상기 우선순위 정보는 클러스터 대표로 전송되며, 클러스터 대표는 상기 주파수 감지 정보 및 상기 우선순위 정보에 기초하여 클러스터에서 사용할 수 있는 가용 주파수 목록 정보를 생성(S160)할 수 있다. 클러스터 대표는 상기 가용 주파수 목록 정보를 해당 클러스터 내의 각 비면허 단말기로 전송(S170)할 수 있으며, 이를 통해 클러스터 내의 비면허 단말기들은 기지국 및 면허 단말기와의 신호 혼신 및 간섭 없이 무선 통신을 수행할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 신호 검출 확률 정보를 참조하여 신호 검출 여부 정보의 신뢰도를 평가할 수 있고, 신뢰도가 낮은 신호 검출 여부 정보를 가용 주파수 목록 정보를 생성할 때 사용하지 않음으로써, 기지국 및 면허 단말기가 해당 주파수 대역을 사용 중인지 여부를 보다 명확하게 판별할 수 있다. 이를 통해 통신 신호의 혼선 및 간섭을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 클러스터 대표는 가용 주파수 목록 정보를 통해 주파수 대역의 사용 여부를 용이하게 판단할 수 있다.
특히, 특정 면허 단말기에 대한 에너지 송신의 우선순위가 기 설정된 값 이상인 경우, 해당 면허 단말기가 사용했던 주파수 대역을 중심으로 기 설정된 범위 내의 주파수 대역을 산출할 수 있고, 상기 산출된 주파수 대역을 비면허 단말기에서 사용하지 않음으로써 무선 에너지 하베스팅시 신호의 혼선을 방지할 수 있다.
이상에서 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 설명하였으나, 당업자라면 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위 내에서 수정, 변경을 할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명이 속하는 기술분야에 속한 사람이 본 발명의 상세한 설명 및 실시예로부터 용이하게 유추할 수 있는 것은 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 기지국
200 : 면허 단말기
300 : 비면허 단말기
1000 : 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 시스템

Claims (7)

  1. 무선 통신 및 무선 전력 에너지 송신을 수행하는 기지국; 상기 기지국과 무선 통신을 수행하고 상기 기지국으로부터 무선 전력 에너지를 수신하는 면허(licensed) 단말기; 및 상기 기지국의 무선 통신 커버리지 내에서 클러스터(cluster)를 형성하며, 상호간 및 상기 면허 단말기와 무선 통신을 수행하는 복수의 비면허(unlicensed) 단말기; 를 포함하고,
    상기 기지국과 상기 면허 단말기는 무선 통신 신호 및 무선 전력 에너지 신호를 송수신하고,
    상기 클러스터 내의 비면허 단말기들 중 한 단말기는 클러스터 대표로 선정되고,
    상기 클러스터 내의 각 비면허 단말기는,
    상기 기지국 및 상기 면허 단말기에서 발신된 상기 무선 통신 신호 및 상기 무선 전력 에너지 신호를 수신하고, 수신한 상기 무선 통신 신호 및 상기 무선 전력 에너지 신호로부터 각 주파수 대역별 신호 검출 여부 정보 및 신호 검출 확률 정보를 계산하고,
    상기 클러스터 대표가 아닌 비면허 단말기는 상기 신호 검출 여부 정보 및 신호 검출 확률 정보를 상기 클러스터 대표로 전송하고,
    상기 클러스터 대표는,
    상기 상기 신호 검출 여부 정보 및 신호 검출 확률 정보에 기초하여 해당 클러스터에서 사용할 수 있는 가용 주파수 목록 정보를 생성하고, 상기 가용 주파수 목록 정보를 상기 클러스터 대표가 아닌 비면허 단말기로 전송하되,
    상기 가용 주파수 목록 정보는 상기 무선 전력 에너지 신호가 송수신될 때 사용되는 주파수 대역이 제외되는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 클러스터 대표는,
    상기 신호 검출 확률 정보가 기설정된 기준값 미만인 경우, 해당 신호 검출 확률 정보와 연관된 상기 신호 검출 여부 정보의 신뢰도가 낮은 것으로 판단하고,
    상기 가용 주파수 목록 정보를 생성할 때 상기 신뢰도가 낮은 신호 검출 여부 정보를 참조하지 않는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 클러스터 대표는,
    상기 클러스터에 포함된 비면허 단말기 목록 정보를 생성하되, 상기 비면허 단말기 목록 정보를 기 설정된 단위 시간마다 갱신하고,
    기 설정된 가용 주파수 검색 주기가 경과되거나 상기 단말기 목록 정보에 변동이 발생되는 경우, 상기 클러스터에 포함된 각 비면허 단말기로 상기 신호 검출 여부 정보 및 신호 검출 확률 정보의 전송을 요구하는 제어 신호를 송신하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가용 주파수 목록 정보는,
    상기 각 면허 단말기의 시간에 따른 주파수 대역 사용 패턴 정보,
    상기 주파수 대역 사용 패턴 정보로부터 유추된 주파수 대역 사용 가능성 정보 및
    상기 주파수 사용 가능성 정보를 참조하여 생성된 주파수 대역 선택 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기지국은 상기 면허 단말기로부터 수신된 상기 면허 단말기의 전력 충전량 정보에 기초하여 무선 전력 에너지 송신의 우선순위 정보를 생성하고, 상기 우선순위 정보에 기초하여 상기 면허 단말기로 무선 전력 에너지를 빔포밍하되,
    상기 기지국과 상기 면허 단말기는 무선 통신 신호 및 무선 전력 에너지 신호를 송수신할 때 상기 우선순위 정보 및 상기 면허 단말기의 고유 식별 번호를 발신하고,
    상기 클러스터 대표는,
    상기 우선순위 정보 및 상기 고유 식별 번호를 더 수신하고,
    상기 고유 식별 번호와 연관된 우선순위 정보가 기 설정된 값 이상인 경우,
    상기 주파수 대역 사용 패턴 정보를 참조하여 해당 면허 단말기에 의해 사용된 주파수 대역을 중심으로 기 설정된 범위 내의 주파수 대역을 산출하고,
    상기 산출된 주파수 대역의 사용 가능성이 낮은 것으로 판단하고,
    상기 주파수 대역 선택 정보에 상기 산출된 주파수 대역을 포함시키지 않는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 클러스터에 포함된 각 비면허 단말기는 해당 클러스터에서 사용중인 주파수 대역에 대한 주파수 대역 선택 정보를 발신하고,
    상기 주파수 선택 정보를 수신한 면허 단말기는 이를 상기 기지국으로 전송하고,
    상기 기지국은,
    상기 주파수 선택 정보에 포함된 주파수 대역이 무선 통신 및 무선 전력 에너지 송수신시 사용될 것으로 판단되는 경우, 해당 주파수 대역이 상기 클러스터에서 사용될 수 없음을 알리는 주파수 사용 금지 정보를 생성하고, 기 설정된 유예시간 정보 및 상기 주파수 사용 금지 정보를 상기 주파수 선택 정보를 수신한 상기 면허 단말기 및 상기 클러스터로 송신하고,
    상기 클러스터 대표는,
    상기 기지국 및 상기 주파수 선택 정보를 수신한 상기 면허 단말기로부터 상기 주파수 사용 금지 정보를 수신하고, 해당 클러스터에서 사용중인 주파수 대역을 상기 유예시간 이내에 변경하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 시스템.
  7. 기지국 및 면허 단말기에서 발신된 무선 통신 신호 및 무선 전력 에너지 신호를 수신하는 단계;
    상기 무선 통신 신호 및 상기 무선 전력 에너지 신호로부터 각 주파수 대역별 신호 검출 여부 정보 및 신호 검출 확률 정보를 계산하는 단계;
    상기 신호 검출 여부 정보 및 상기 신호 검출 확률 정보에 기초하여 클러스터에서 사용할 수 있는 가용 주파수 목록 정보를 생성하는 단계; 및
    상기 가용 주파수 목록 정보를 해당 클러스터 내의 각 비면허 단말기로 전송하는 단계; 를 포함하되,
    상기 가용 주파수 목록 정보는 상기 무선 전력 에너지 신호가 송수신될 때 사용되는 주파수 대역이 제외되는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅을 위한 인지 무선 시스템의 제어 방법.
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