Cognitive Radio 시스템에서 위치 정보를 이용한 협력 스펙트럼 센싱 최적화 기법

Abstract

최근 통신기술의 빠른 발전으로 스펙트럼 자원에 대한 수요가 급격히 증가하고 있다. 그에 따라 한정된 자원 중 하나인 스펙트럼 자원 부족 문제가 이슈화 되고 있다. 이러한 상황에서 Cognitive radio기술은 이 문제를 해결하고 효율적인 스펙트럼 사용을 가능케 하는 기술로 주목 받고 있다.

Cognitive radio 기술의 핵심은 해당 스펙트럼의 사용 권한을 가지고 있는 주사용자(primary user)가 스펙트럼을 사용하고 있지 않을 경우, 이를 부사용자(secondary user)가 사용할 수 있도록 하는 것이다. 이러한 과정에서 중요한 것은 부사용자가 주사용자의 통신을 방해 해서는 안되며 동시에 스펙트럼 자원을 최대한 효율적으로 이용해야 한다. 이를 위해서는 부사용자가 주사용자의 스펙트럼 사용 여부를 정확하고 빠르게 판단하는 스펙트럼 센싱 기술이 필요하다.

스펙트럼 센싱 기술은 크게 에너지 검출 기반 기법, 정합 필터 기법, Cyclostationarity 기반 기법으로 나눌 수 있다. 이 중 현실적이고 간단하며 빠르게 판단을 할 수 있는 에너지 검출 기반 기법이 가장 널리 쓰이고 있다. 에너지 검출 기반 기법은 수신 신호의 에너지를 측정하여 임계값을 기준으로 주사용자의 스펙트럼 사용 여부를 판단한다.

최근에는 스펙트럼 센싱의 정확성을 높이기 위해 부사용자들의 개별 센싱 결과를 융합센터(Fusion Center)로 전송하고 융합센터는 수신한 정보를 바탕으로 주사용자의 스펙트럼 사용 여부를 최종 판단하는 협력 스펙트럼 센싱 기술이 활발히 연구 되고 있다. 협력 스펙트럼 센싱 기술은 잠복 터미널 문제(hidden terminal problem) 즉, 어떤 부사용자가 실제 통신환경에서의 쉐도윙(shadowing) 이나 페이딩(fading) 때문에 정확한 판단을 하지 못하였을 경우 일어날 수 있는 문제를 완화할 수 있다.

본 논문에서는 에너지 검출 기반 기법의 협력 스펙트럼 센싱 모델을 고려하였다. 기존에 상기의 모델을 고려한 연구가 많이 진행 되었지만 주사용자와 부사용자간의 거리가 모두 동일하고, 각 부사용자가 수신한 주사용자의 신호가 유사한 환경을 거쳐 수신 된다고 가정하여 전체 시스템이 고정 된 임계값을 통해 협력 스펙트럼 센싱을 하였다. 이러한 모델은 실제 Cognitive radio 환경과는 많은 차이가 있는 가정이다. 따라서 본 논문에서는 실제 통신환경과 유사한 환경을 고려하기 위해 주사용자와 부사용자간의 다양한 거리, 그에 따라 각 부사용자가 수신한 주사용자의 신호의 감쇠를 고려하여 효율적인 임계값을 개별적으로 결정하고, 결정된 임계값으로 협력 스펙트럼 센싱을 수행하여 전체 시스템의 성능을 향상 시킨다.

협력 스펙트럼 센싱 기법의 최적 부사용자의 수 연구에서는 자원 활용의 효율성을 고려한 최적 부사용자 수를 구하였다. 일반적으로는 스펙트럼 센싱에 참여하는 부사용자의 수가 많을수록 그 성능이 향상되지만, 경제적인 관점에서 보았을 때는 최적의 부사용자 수를 결정할 수 있다. DoA정보를 사용한 협력 스펙트럼 센싱 연구에서는 융합센터에서 융합시 주사용자와 부사용자 신호의 DoA정보를 이용하는 센싱 기법을 제안하였다.

본 논문에서 제안된 기법들을 사용하여 Cognitive radio 시스템의 스펙트럼 센싱 성능을 향상 시킬 수 있으며 다양한 Cognitive radio 시스템에 확장 적용 할 수 있을 것이다.|Rapid advances in wireless communication technology demands more and more spectrum resources. Accordingly, the problem of spectrum scarcity has emerged. Cognitive radio is aimed to solve the problem of spectrum scarcity by efficient use of spectrum resources.

Cognitive radio concept is that secondary user utilize the licensed spectrum while primary user is absence. In the process, the important things are to not interfere with the primary user and to make the most efficient use of the available spectrum resources. To achieve this, system requires fast and accurate spectrum sensing which determines whether a primary user use particular spectrum or not. Spectrum sensing can be largely divided into energy detection, matched filtering and cyclostationarity detection. Energy detection is the most common way of spectrum sensing because of its low computational and implementation complexity. Energy detection decides absence or presence of primary user by comparing received signal power and sensing threshold.

Recently, cooperative spectrum sensing method has been proposed to improve spectrum sensing performance. In cooperative spectrum sensing, secondary users send their individual sensing decision result to fusion center and fusion center makes a final decision using decision fusion rule. Cooperative spectrum sensing overcomes shadowing and fading of wireless channels by spatial diversity in multiple secondary users.

We consider cooperative spectrum sensing based on energy detection. There are many related research works on this issue in recent years. But most of the previous researches assume that secondary users uniformly distributed or distance between primary user and each secondary user is same. Every secondary user received primary user signal under similar conditions in this situation. However, these assumptions are far from real cognitive radio networks. So we consider various distances between primary user and each secondary user.

In study of optimum number of secondary user, we consider efficiency of resources usage for spectrum sensing, so we can find optimum number of secondary user in cooperative spectrum sensing. In study of cooperative spectrum sensing using DoA information, we propose novel cooperative spectrum sensing techniques with DoA information.

The cooperative spectrum sensing performance in cognitive radio system will highly be improved by using the techniques of this thesis.; Rapid advances in wireless communication technology demands more and more spectrum resources. Accordingly, the problem of spectrum scarcity has emerged. Cognitive radio is aimed to solve the problem of spectrum scarcity by efficient use of spectrum resources.

Cognitive radio concept is that secondary user utilize the licensed spectrum while primary user is absence. In the process, the important things are to not interfere with the primary user and to make the most efficient use of the available spectrum resources. To achieve this, system requires fast and accurate spectrum sensing which determines whether a primary user use particular spectrum or not. Spectrum sensing can be largely divided into energy detection, matched filtering and cyclostationarity detection. Energy detection is the most common way of spectrum sensing because of its low computational and implementation complexity. Energy detection decides absence or presence of primary user by comparing received signal power and sensing threshold.

Recently, cooperative spectrum sensing method has been proposed to improve spectrum sensing performance. In cooperative spectrum sensing, secondary users send their individual sensing decision result to fusion center and fusion center makes a final decision using decision fusion rule. Cooperative spectrum sensing overcomes shadowing and fading of wireless channels by spatial diversity in multiple secondary users.

We consider cooperative spectrum sensing based on energy detection. There are many related research works on this issue in recent years. But most of the previous researches assume that secondary users uniformly distributed or distance between primary user and each secondary user is same. Every secondary user received primary user signal under similar conditions in this situation. However, these assumptions are far from real cognitive radio networks. So we consider various distances between primary user and each secondary user.

In study of optimum number of secondary user, we consider efficiency of resources usage for spectrum sensing, so we can find optimum number of secondary user in cooperative spectrum sensing. In study of cooperative spectrum sensing using DoA information, we propose novel cooperative spectrum sensing techniques with DoA information.

The cooperative spectrum sensing performance in cognitive radio system will highly be improved by using the techniques of this thesis.