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가설 설정
- 해상 인지 무선 네트워크의 시스템 모델은 그림 1과 같다. GMDSS나 AIS와 같이 우선순위가 높은 통신을 위한 신호를 전송하는 선박을 선순위 선박, 업무용 통신과 같이 우선순위가 낮은 통신을 위한 신호를 전송하는 선박을 차순위 선박으로 가정한다.
- 1-0 랜덤 프로세스에서 ‘1’은 선순위 선박이 채널을 사용 중인 사용상태를 의미하며, ‘0’은 선순위 선박이 채널을 사용하지 않는 유휴상태를 의미한다. 또한, 선순위 선박이 특정 상태를 유지하는 평균시간은 지수 분포를 따른다고 가정한다. 이에 따라 일정 시간 내에서 선순위 선박의 상태 변화 확률은 포아송 분포를 따른다.
- 해상 인지 무선 네트워크에서 차순위 선박의 프레임 구조를 그림 2에 나타내었다. 본 논문은 협력적 스펙트럼 센싱에 참여하는 차순위 선박의 프레임 구조가 모두 동일하다고 가정한다.
- 선순위 선박의 상태는 차순위 선박의 한 프레임 시간 내에서도 동적으로 변한다. 선순위 선박의 상태 변화는 차순위 선박의 스펙트럼 센싱시간과 데이터 전송시간 모두에서 발생 가능하며, 이를 위해 선순위 선박의 상태 변화 모델을 1-0 랜덤 프로세스로 가정한다. 1-0 랜덤 프로세스에서 ‘1’은 선순위 선박이 채널을 사용 중인 사용상태를 의미하며, ‘0’은 선순위 선박이 채널을 사용하지 않는 유휴상태를 의미한다.
- 최종적으로, 퓨전센터는 차순위 선박들에게 선순위 선박의 존재 여부 및 현재 프레임에서 통신을 수행할 차순위 선박의 정보를 피드백한다. 이 때, 퓨전센터와 차순위 선박간 통신 시 오류는 발생하지 않는다고 가정한다.
제안 방법
- 총 K 척의 차순위 선박들은 에너지 검출 방식의 스펙트럼 센싱기법을 통해서 주기적으로 선순위 선박의 존재 여부를 판단한다. 각 차순위 선박은 에너지 검출을 수행하기 위해 채널을 센싱하고, 센싱한 채널의 에너지 크기와 선순위 선박의 존재 여부 판단을 위한 임계값을 바탕으로 선순위 선박의 존재 여부를 판단한다. 그 후, 차순위 선박은 선순위 선박 존재 여부 정보를 퓨전센터로 전송한다.
- 세 번째, 각 차순위 선박은 두 번째 단계에서 생성된 선순위 선박의 채널 값을 에너지 검출 방식을 통해서 센싱한다. 네 번째, 선순위 선박의 존재 여부 판단을 위한 임계값과 에너지 검출 방식을 통해서 구한 에너지 값을 비교하여 선순위 선박의 존재 여부를 판단한다. 이 때, 임계값은 협력적 스펙트럼 센싱에 참여하는 차순위 선박의 수가 4척이며, 기존 선순위 선박의 상태 변화가 정적인 환경에서 검출 확률이 0.
- 9가 되도록 하는 임계값으로 선택한다. 다섯 번째, 각 차순위 선박은 이를 통해 결정된 선순위 선박 존재 여부를 퓨전센터로 전송하고, 퓨전센터에서는 각 차순위 선박으로부터 수집된 선순위 선박 존재 여부를 기반으로 최종적으로 선순위 선박 존재 여부를 판단한다. 여섯 번째, 만일 선순위 선박이 존재하지 않을 경우 퓨전센터는 라운드 로빈 스케쥴링 알고리듬을 통해서 통신을 수행할 차순위 선박을 결정하고, 선순위 선박의 존재 여부 및 현재 프레임에서 통신을 수행할 차순위 선박의 정보를 차순위 선박에 피드백하며, 선순위 선박이 존재하는 경우 피드백 하지 않는다.
- 첫 번째, 사용상태와 유휴상태 유지시간 파라미터 λ, μ에 따른 선순위 선박의 상태를 1-0 랜덤 프로세스를 이용해서 생성한다. 두 번째, 생성된 선순위 선박의 상태를 기반으로 선순위 선박과 차순위 선박의 채널 환경을 생성한다. 세 번째, 각 차순위 선박은 두 번째 단계에서 생성된 선순위 선박의 채널 값을 에너지 검출 방식을 통해서 센싱한다.
- 본 장에서는 해상 인지 무선 네트워크의 협력적 스펙트럼 센싱 모델에 대하여 기술 한다. 또한, 차순위 선박의 프레임 구조 및 선순위 선박의 사용과 유휴상태 변화 모델에 대해서 설명하고, 선순위 선박의 사용 상태나 유휴상태의 유지확률과 전이확률을 분석한다.
- 본 논문에서는 시스템 레벨 시뮬레이션을 사용하여 선순위 선박의 사용상태와 유휴상태가 동적으로 변화하는 해상 인지 무선 네트워크 환경에서 차순위 선박들이 협력적 스펙트럼 기법을 사용할 때 선순위 선박의 상태 변화율과 차순위 선박의 스펙트럼 센싱시간에 따른 선순위 선박과 차순위 선박의 수율을 평가한다. 특히, 스펙트럼 센싱시간과 선순위 선박의 상태 변화율에 따라 협력적 스펙트럼 기법, 차순위 선박 수 및 목표 검출 확률이 수율에 미치는 영향을 평가하고 분석하며, 해상 인지 무선 네트워크 환경의 변화에 따라 선순위 선박과 차순위 선박의 수율을 최대화하는 파라미터를 도출한다.
- 본 논문에서는 시스템 레벨 시뮬레이션을 통해서 협력적 해상 인지 무선 네트워크에서 선순위 선박의 사용상태와 유휴상태 변화가 동적인 환경에서 선순위 선박과 차순위 선박의 수율을 분석하였다. 특히, 스펙트럼 센싱시간과 선순위 선박의 상태 변화율에 따른 협력적 스펙트럼 기법, 차순위 선박 수 및 목표 검출 확률이 수율에 미치는 영향을 평가하고 분석하였다.
- 본 장에서는 선순위 선박의 사용상태와 유휴상태 변화가 동적인 해상 인지 무선 네트워크 환경에서 선순위 선박과 차순위 선박의 수율을 평가하기 위해 시스템 레벨 시뮬레이션에서 사용한 모의실험 환경에 대해 설명하고, 모의실험을 통해서 도출된 선순위 선박과 차순위 선박의 수율을 평가 및 분석한다.
- 선순위 선박의 사용상태와 유휴상태 유지시간 감소는 선순위 선박 수 증가와 동일한 결과를 나타내므로 선순위 선박이 1척일 때에 대해 모의실험을 수행하였다. 선순위 선박의 사용상태 평균유지시간 Tbusy와 유휴상태 평균유지시간 Tidle은 동일한 값을 가지며, 5msec, 10msec, 20msec로 변화시키면서 결과를 도출하였다.
- 우선 모의실험 수행을 위해 사용한 파라미터 값을 정리하고, 모의실험 수행 시나리오에 대해서 설명한다. 성능 분석에서는 선순위 선박의 상태 변화가 동적인 해상 인지 무선 네트워크 환경에서 스펙트럼 센싱 시간과 선순위 선박의 상태 변화율에 따라 협력적 스펙트럼 센싱기법, 차순위 선박 수 및 목표 검출 확률이 수율에 미치는 영향 및 결과를 도출하고 분석한다.
- 두 번째, 생성된 선순위 선박의 상태를 기반으로 선순위 선박과 차순위 선박의 채널 환경을 생성한다. 세 번째, 각 차순위 선박은 두 번째 단계에서 생성된 선순위 선박의 채널 값을 에너지 검출 방식을 통해서 센싱한다. 네 번째, 선순위 선박의 존재 여부 판단을 위한 임계값과 에너지 검출 방식을 통해서 구한 에너지 값을 비교하여 선순위 선박의 존재 여부를 판단한다.
- 참고문헌 [14]는 차순위 사용자의 센싱시간과 데이터 전송시간에서 선순위 사용자의 동작상태가 변화는 인지 무선 통신 네트워크를 고려하였다. 여기서 차순위 사용자가 선순위 사용자에게 미치는 간섭을 특정 값 이하로 하면서 차순위 사용자의 수율을 최대화시키기 위한 센싱시간과 데이터 전송시간 결정방법을 제안하였다. 참고문헌 [15]는 차순위 사용자의 센싱성능, 수율과 서비스 불능 확률을 분석하였다.
- 여섯 번째, 만일 선순위 선박이 존재하지 않을 경우 퓨전센터는 라운드 로빈 스케쥴링 알고리듬을 통해서 통신을 수행할 차순위 선박을 결정하고, 선순위 선박의 존재 여부 및 현재 프레임에서 통신을 수행할 차순위 선박의 정보를 차순위 선박에 피드백하며, 선순위 선박이 존재하는 경우 피드백 하지 않는다. 일곱 번째, 두 번째 단계에서 생성된 채널 환경을 기반으로 여섯 번째 단계를 통해서 결정된 차순위 선박과 선순위 선박의 수율을 계산한다.
- 첫 번째, 사용상태와 유휴상태 유지시간 파라미터 λ, μ에 따른 선순위 선박의 상태를 1-0 랜덤 프로세스를 이용해서 생성한다.
- 본 논문에서는 시스템 레벨 시뮬레이션을 사용하여 선순위 선박의 사용상태와 유휴상태가 동적으로 변화하는 해상 인지 무선 네트워크 환경에서 차순위 선박들이 협력적 스펙트럼 기법을 사용할 때 선순위 선박의 상태 변화율과 차순위 선박의 스펙트럼 센싱시간에 따른 선순위 선박과 차순위 선박의 수율을 평가한다. 특히, 스펙트럼 센싱시간과 선순위 선박의 상태 변화율에 따라 협력적 스펙트럼 기법, 차순위 선박 수 및 목표 검출 확률이 수율에 미치는 영향을 평가하고 분석하며, 해상 인지 무선 네트워크 환경의 변화에 따라 선순위 선박과 차순위 선박의 수율을 최대화하는 파라미터를 도출한다.
- 본 논문에서는 시스템 레벨 시뮬레이션을 통해서 협력적 해상 인지 무선 네트워크에서 선순위 선박의 사용상태와 유휴상태 변화가 동적인 환경에서 선순위 선박과 차순위 선박의 수율을 분석하였다. 특히, 스펙트럼 센싱시간과 선순위 선박의 상태 변화율에 따른 협력적 스펙트럼 기법, 차순위 선박 수 및 목표 검출 확률이 수율에 미치는 영향을 평가하고 분석하였다. 선순위 선박의 사용상태와 유휴상태 변화가 동적인 해상 인지 무선 네트워크에서 선순위 선박과 차순위 선박은 상호 배타적인 관계를 가지며, 긴 센싱시간, OR-rule 기반 협력적 스펙트럼 센싱기법, 협력적 스펙트럼 센싱 기법에 참여하는 선박 수 및 높은 검출 확률에서 선순위 선박의 수율이 증가함을 볼 수 있는 반면, 짧은 센싱시간, AND-rule 기반 협력적 스펙트럼 센싱기법을 사용하면 차순위 선박의 수율은 증가하나, 선순위 선박의 수율과 차순위 선박의 선순위 선박 검출 확률을 보장 할 수 없었다.
대상 데이터
- 채널 환경은 레일리 분포로 발생시켰으며, 선순위 선박과 차순위 선박의 평균 신호 대 잡음비 γps 와 γss 는 10㏈를 사용하였다. 총 모의실험은 10000프레임 동안 수행하였다. 모의실험을 위해서 설정한 주요 파라미터 값은 표 1과 같다.
- 9이며 협력적 스펙트럼 센싱기법으로써 OR-rule을 사용하는 경우 협력적 스펙트럼 센싱에 참여하는 차순위 선박 수에 따른 선순위 선박과 차순위 선박의 수율을 나타낸 것이다. 협력적 스펙트럼 센싱에 참여하는 차순위 선박 수로는 각각 4척, 6척, 8척인 경우를 고려하였다. 협력적 스펙트럼 센싱에 참여하는 차순위 선박수 가 증가할수록 선순위 선박의 수율은 증가하나 차순위 선박의 수율은 감소하였다.
이론/모형
- 9이며 협력적 스펙트럼 센싱에 참여하는 차순위 선박이 4척인 경우 협력적 스펙트럼 센싱기법에 따른 선순위 선박과 차순위 선박의 수율을 나타낸 것이다. 협력적 스펙 트럼 센싱기법으로는 AND-rule과 OR-rule을 고려하였다. AND-rule은 협력적 스펙트럼 센싱을 수행하는 모든 차순위 선박이 선순위 선박이 있다고 판단해야 퓨전센터가 최종적으로 선순위 선박이 있다고 판단하는 협력적 스펙트럼 센싱기법이며, OR-rule은 하나의 차순위 선박이라도 선순위 선박이 있다고 판단하면 퓨전센터가 최종적으로 선순위 선박이 있다고 판단하는 협력적 스펙트럼 센싱기법이다.
성능/효과
- 4% 감소하였다. 또한, AND-rule은 스펙트럼 센싱시간이 2msec인 경우 선순위 선박의 상태유지 평균시간이 5msec에서 20msec 로 증가함에 따라서 선순위 선박의 수율이 6.3% 증가한 반면 OR-rule의 경우는 변하지 않았다. 즉, AND-rule이 OR-rule 대비 센싱시간 및 선순위 선박 변화율에 더 큰 영향을 받았다.
- 모의실험 결과를 통해서 선순위 선박의 수율이 중요한 경우에는 OR-rule을 사용하거나 스펙트럼 센싱 시간을 증가시키야 하고, 차순위 선박의 효율성을 증가시키고자 하는 경우에는 AND-rule을 사용하거나 스펙트럼 센싱시간을 감소시킴으로써 수율을 증가시킬 수 있음을 알 수 있다. 또한, 선순위 선박의 상태유 지 평균시간이 감소하면 OR-rule을 사용하는 것이 선순위 선박과 전체 시스템의 수율의 모든 측면에서 유리해짐을 볼 수 있다.
- 0% 감소하였다. 또한, 스펙트럼 센싱시간이 2msec인 경 우선순위 선박의 상태유지 평균시간이 5msec에서 20msec로 증가함에 따라서 선순위 선박의 수율은 7.0% 증가하였으며, 차순위 선박의 수율은 유지되었다.
- 0% 감소하였다. 또한, 스펙트럼 센싱시간이 2msec인 경우 선순위 선박의 상태유지 평균시간이 5msec에서 20msec로 증가함에 따라서 선순위 선박의 수율은 7.0% 증가하였으며, 차순위 선박의 수율은 유지하였다.
- 모의실험 결과를 통해서 선순위 선박의 수율이 중요한 경우 협력적 스펙트럼 센싱기법에 참여하는 차순위 선박 수를 증가시키고, 차순위 선박의 효율성을 증가시키고자 하는 경우 협력적 스펙트럼 센싱기법에 참여하는 차순위 선박 수를 감소시킴으로써 수율을 증가시킬 수 있음을 알 수 있었다.
- 모의실험 결과를 통해서 선순위 선박의 수율이 중요한 경우에는 OR-rule을 사용하거나 스펙트럼 센싱 시간을 증가시키야 하고, 차순위 선박의 효율성을 증가시키고자 하는 경우에는 AND-rule을 사용하거나 스펙트럼 센싱시간을 감소시킴으로써 수율을 증가시킬 수 있음을 알 수 있다. 또한, 선순위 선박의 상태유 지 평균시간이 감소하면 OR-rule을 사용하는 것이 선순위 선박과 전체 시스템의 수율의 모든 측면에서 유리해짐을 볼 수 있다.
- 특히, 스펙트럼 센싱시간과 선순위 선박의 상태 변화율에 따른 협력적 스펙트럼 기법, 차순위 선박 수 및 목표 검출 확률이 수율에 미치는 영향을 평가하고 분석하였다. 선순위 선박의 사용상태와 유휴상태 변화가 동적인 해상 인지 무선 네트워크에서 선순위 선박과 차순위 선박은 상호 배타적인 관계를 가지며, 긴 센싱시간, OR-rule 기반 협력적 스펙트럼 센싱기법, 협력적 스펙트럼 센싱 기법에 참여하는 선박 수 및 높은 검출 확률에서 선순위 선박의 수율이 증가함을 볼 수 있는 반면, 짧은 센싱시간, AND-rule 기반 협력적 스펙트럼 센싱기법을 사용하면 차순위 선박의 수율은 증가하나, 선순위 선박의 수율과 차순위 선박의 선순위 선박 검출 확률을 보장 할 수 없었다.
- 이는 목표 검출 확률이 증가함에 따라서 선순위 선박이 존재한다고 판단할 확률이 증가하기 때문이다. 스펙트럼 센싱시간이 2msec, 선순위 선박의 상태유지 평균시간이 20msec인 환경에서 목표 검출 확률이 0.9인 경우가 목표 검출 확률이 0.7인 경우보다 선순위 선박의 수율은 5.1% 더 높으나 차순위 선박의 수율은 11.6% 더 낮았다. 각 목표 검출 확률 별로 차순위 선박의 스펙트럼 센싱시간과 선순위 선박의 상태유지 평균시간이 미치는 영향은 비슷하였다.
- 이는 AND-rule이 OR-rule 보다 선순위 선박이 존재한다고 판단할 확률이 더 낮으므로, OR-rule을 사용하는 경우 선순위 선박이 간섭받을 확률이 감소하고 AND-rule을 사용하는 경우 차순위 선박이 전송할 기회가 증가함에 따른 결과이다. 스펙트럼 센싱시간이 2msec이며, 선순위 선박의 상태유지 평균시간이 20msec일 때, OR-rule을 사용하는 경우 선순위 선박의 수율이 AND-rule을 사용하는 경우보다 23.9% 더 높으나 차순위 선박의 수율은 57.4% 더 낮았다.
- 다섯 번째, 각 차순위 선박은 이를 통해 결정된 선순위 선박 존재 여부를 퓨전센터로 전송하고, 퓨전센터에서는 각 차순위 선박으로부터 수집된 선순위 선박 존재 여부를 기반으로 최종적으로 선순위 선박 존재 여부를 판단한다. 여섯 번째, 만일 선순위 선박이 존재하지 않을 경우 퓨전센터는 라운드 로빈 스케쥴링 알고리듬을 통해서 통신을 수행할 차순위 선박을 결정하고, 선순위 선박의 존재 여부 및 현재 프레임에서 통신을 수행할 차순위 선박의 정보를 차순위 선박에 피드백하며, 선순위 선박이 존재하는 경우 피드백 하지 않는다. 일곱 번째, 두 번째 단계에서 생성된 채널 환경을 기반으로 여섯 번째 단계를 통해서 결정된 차순위 선박과 선순위 선박의 수율을 계산한다.
- 3% 증가한 반면 OR-rule의 경우는 변하지 않았다. 즉, AND-rule이 OR-rule 대비 센싱시간 및 선순위 선박 변화율에 더 큰 영향을 받았다. 이는 AND-rule과 OR-rule이 동일한 임계값을 사용하는 경우 AND-rule 의미검출 확률이 OR-rule 보다 더 큰 값을 가지므로 선순위 선박이 존재하지 않는다고 판단하여 차순위 선박이 실제 선순위 선박의 존재 여부와 상관없이 계속 통신을 할 확률이 크게 증가하기 때문이다.
- 2% 수율이 감소하였다. 즉, 선순위 선박의 상태유지 평균시간이 길수록 차순위 선박의 수율 감소가 더 크게 발생하였다. 이는 OR-rule의 경우 동일 임계값을 사용하는 오경보 확률이 미검출 확률보다 더 높은 값을 가지기 때문에 선순위 선박의 상태유지 평균시간이 길면 차순위 선박이 전송하지 않을 확률이 증가하나 선순위 선박의 상태유지 평균시간이 짧으면 미검출 확률과 오경보 확률에 의한 정확한 전송의 중요성이 감소하기 때문이다.
- 퓨전센터에서 OR-rule을 사용하는 경우 선순위 선박의 수율이 더 높았으며, AND-rule을 사용하는 경우 차순위 선박의 수율이 더 높았다. 이는 AND-rule이 OR-rule 보다 선순위 선박이 존재한다고 판단할 확률이 더 낮으므로, OR-rule을 사용하는 경우 선순위 선박이 간섭받을 확률이 감소하고 AND-rule을 사용하는 경우 차순위 선박이 전송할 기회가 증가함에 따른 결과이다.
- 협력적 스펙트럼 센싱에 참여하는 차순위 선박 수로는 각각 4척, 6척, 8척인 경우를 고려하였다. 협력적 스펙트럼 센싱에 참여하는 차순위 선박수 가 증가할수록 선순위 선박의 수율은 증가하나 차순위 선박의 수율은 감소하였다. 이는 차순위 선박이 OR-rule을 사용하는 경우 차순위 선박 수가 증가함에 따라서 선순위 선박이 존재한다고 판단할 확률이 감소하기 때문이다.
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