[논문]인지무선 네트워크에서 효율적인 채널 사용을 위한 협력센싱 클러스터링 게임

장성진; 윤희석; 배인산; 김재명

인지무선 네트워크에서 효율적인 채널 사용을 위한 협력센싱 클러스터링 게임
Cooperative Sensing Clustering Game for Efficient Channel Exploitation in Cognitive Radio Network 원문보기

통신위성우주산업연구회논문지 = The Journal of Korea Society of Communication and Sapce Technology, v.10 no.1, 2015년, pp.49 - 55

장성진 (인하대학교 정보통신공학부 무선전송연구실) , 윤희석 (인하대학교 정보통신공학부 무선전송연구실) , 배인산 (인하대학교 정보통신공학부 무선전송연구실) , 김재명 (인하대학교 정보통신공학부)

초록
AI-Helper

인지무선 네트워크에서 스펙트럼 센싱은 우선사용자에게 간섭을 주지 않기 위해 기본적으로 수행해야 하는 단계이다. 스펙트럼 센싱에 요구되는 샘플 수는 2차 사용자의 성능에 직접적으로 영향을 주기 때문에, 2차 사용자의 성능과 우선사용자에 대한 간섭은 트레이드오프 관계에 있다. 스펙트럼 센싱에 필요한 샘플 수는 요구되는 오검출 확률, 검출확률 및 우선 사용자의 최소 요구 SNR로 부터 얻어진다. 우선 사용자 센싱에 요구되는 SNR은 2차 사용자의 전송반경과 관련 있기 때문에, 2차사용자들을 모아 센싱집합으로 구성하고 요구되는 전송영역을 최소화시킴으로써 스펙트럼 센싱에 요구되는 우선사용자의 SNR을 완화시킬 수 있다. 따라서 스펙트럼 센싱에 필요한 최소 샘플 수를 줄임으로써 인지무선 네트워크의 전송량을 향상시킬 수 있다. 본 논문에서는 이를 위해 센싱집합인 클러스터링을 통해 게임이론으로 클러스터의 크기에 따라 얻는 이득과 손실을 트레이드오프로 디자인하고, 시뮬레이션을 통해 제안된 방법의 성능을 확인한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In cognitive radio network (CRN), spectrum sensing is an elementary level of technology for non-interfering to licensed user. Required sample number for spectrum sensing is directly related to the throughput of secondary user and makes the tradeoff between the throughput of secondary user and interference to primary user. Required spectrum sensing sample is derived from required false alarm, detection probability and minimum required SNR of primary user (PU). If we make clustering and minimize the required transmission boundary of secondary user (SU), we can relax the required PU SNR for spectrum sensing because the required SNR for PU signal sensing is related to transmission range of SU. Therefore we can achieve efficient throughput of CRN by minimizing spectrum sensing sample. For this, we design the tradeoff between gain and loss could be obtained from clustering, according to the size of cluster members through game theory and simulation results confirm the effectiveness of the proposed method.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문은 CRN 환경에서 SU들의 협력센싱을 위한 연립 집합게임을 제안하였다. 센싱시간은 요구 검출확률, 오검출 확률 및 수신 PU SNR로 계산된다.

가설 설정

로 정의하였다. 간단한 시스템을 위해 OR-rule 기반의 협력센싱[19]을 가정하였으며, TDMA기반의 전송제어를 가정하였다. 센싱시간은 요구되는 센싱SNR에 따른 함수이고, SU는 다른 SU들이 센싱하는 시간에 전송할 수 없기 때문에, 연립집합에서 SU들의 센싱시간 중 최대값을 갖게 한다.
검출확률과 오검출확률은 각각 0.9와 0.1로 가정하였고, 프레임길이는 T = 100ms , 샘플링주파수는 fs = 1MHz , 최대전송전력은 P = 10mW, 경로손실지수는 μ = 3, 잡음분산값은 σ2 =- 90dBm으로 가정하였다.
1로 가정하였고, 프레임길이는 T = 100ms , 샘플링주파수는 f_s = 1MHz , 최대전송전력은 P = 10mW, 경로손실지수는 μ = 3, 잡음분산값은 σ² =- 90dBm으로 가정하였다. 그리고, BS의 반경은 300m이고, 이 반경 내에 SU들이 존재하는 것으로 가정하였고, BS는 해당 네트워크에 SU들의 개수를 알고 있고 이를 통해 필요한 연립집합대표의 계수를 계산한다. 그림 3은 식 (10)를 사용하여 연립집합대표의 수에 따른 BS의 네트워크 유틸리티 함수를 보여준다.
여기서 BS는 하나가 존재하고 센서로서 동작하는 SU들은 해당지역에서 데이터를 수집하는 것으로 가정하였다. 또한 이들 센서들은 2차원 영역에서 균일분포로 랜덤하게 존재하는 것을 가정하였다. 그러면 이러한 네트워크에서 각각의 SU가 갖는 유틸리티 함수는 식 (10)으로 정의할 수 있다.
본 논문에서는 화재경보 및 수위체크 등을 위한 주변환경 정보를 송신하는 애드혹 네트워크를 위한 SBS(Secondary Base Station)과 SU들로 구성된 CRN으로 가정하였다. SU의 송신반경은 PU로부터 수신된 신호를 얼마나 센싱할 수 있느냐와 관련 있기 때문에, 연립집합대표를 통해 송신하고자 하는 정보 및 센싱정보를 수집하도록 하면 SU의 전송반경 및 센싱시간을 줄일 수 있다.
우선, SU들로 이뤄진 전체 CNR의 성능에 따라 요구되는 엽립집합대표의 개수를 정의한다. 여기서 BS는 하나가 존재하고 센서로서 동작하는 SU들은 해당지역에서 데이터를 수집하는 것으로 가정하였다. 또한 이들 센서들은 2차원 영역에서 균일분포로 랜덤하게 존재하는 것을 가정하였다.
정의 2 : 각각의 N개의 player가 참여하는 Si는 Π = {S1,...,SM} 로 정의되며 각각의 연립집합은 공통원소를 갖지 않는다.

제안 방법

SU가 넓은 영역에 대해 전송하고자 하면 PU을 센싱하기 위한 요구 수신 SNR은 상당히 낮아지게 되어 센싱시간이 늘어나게 된다. 따라서 본 논문에서는 연립집합대표를 선정하고, 각 연립집합 대표가 주변 SU들을 모아 각각의 연립집합을 구성하도록 하였고 이를 통해 센싱시간을 줄여 전송량을 확보할 수 있도록 하였다. 시뮬레이션 결과를 통해 샘플링주파수, SU기기의 수, BS의 최대반경, 프레임에 따른 유틸리티, 연립집합크기, 요구되는 센싱시간을 보임으로써 제안된 알고리즘의 성능이 게임의 반복횟수에 따라 향상되는 것을 확인하였다.
SU의 송신반경은 PU로부터 수신된 신호를 얼마나 센싱할 수 있느냐와 관련 있기 때문에, 연립집합대표를 통해 송신하고자 하는 정보 및 센싱정보를 수집하도록 하면 SU의 전송반경 및 센싱시간을 줄일 수 있다. 이를 위해 연립집합대표를 선택하는 방법과 선택된 대표가 연립집합 크기에 따른 트레이드오프를 고려하여 연립을 구성하는 방법에 대해 제안한다. 본 논문의 구성은 다음과 같다.

성능/효과

그림 6은 각각 노드 수가 50개, 100의 경우에 대한, 게임의 반복횟수에 따른 유틸리티함수, 연립집합크기, 센싱시간의 추이를 나타낸다. 노드 수가 많을수록 요구되는 센싱시간이 더 짧아지고, 연립집합크기는 증가하는 것을 확인하였다. 그러나 연립집합크기가 클수록 연립집합 내의 각 SU의 시간자원이 나눠지게 되어 유틸리티함수 값은 더 작게 된다.
따라서 본 논문에서는 연립집합대표를 선정하고, 각 연립집합 대표가 주변 SU들을 모아 각각의 연립집합을 구성하도록 하였고 이를 통해 센싱시간을 줄여 전송량을 확보할 수 있도록 하였다. 시뮬레이션 결과를 통해 샘플링주파수, SU기기의 수, BS의 최대반경, 프레임에 따른 유틸리티, 연립집합크기, 요구되는 센싱시간을 보임으로써 제안된 알고리즘의 성능이 게임의 반복횟수에 따라 향상되는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인지무선 네트워크에서 우선 사용자에게 간섭을 주지 않기 위해 기본적으로 수행해야 하는 단계는 무엇인가?	인지무선 네트워크에서 스펙트럼 센싱은 우선사용자에게 간섭을 주지 않기 위해 기본적으로 수행해야 하는 단계이다. 스펙트럼 센싱에 요구되는 샘플 수는 2차 사용자의 성능에 직접적으로 영향을 주기 때문에, 2차 사용자의 성능과 우선사용자에 대한 간섭은 트레이드오프 관계에 있다.
	연립게임이론의 정의에서 협력 알고리즘은 무엇으로 정의되어 있는가?	정의 1 : 협력 알고리즘은 (N,V) 순서쌍으로 정의되어있다. N은 player의 집합이고, V는 S ⊆N 인 S들의 모든 엽립집합이다. V(S)는 각각의 player가 Si S에서 얻을 수 있는 이득이다.
	CR기기는 무엇인가?	미연방통신위원회(FCC) 는 보고서에서 시간적으로나 지역적으로 상당량의 스펙트럼이 비어있다고 기술하였다[2]. CR기기는 우선사용자(PU : Primary User)가 동작하지 않는 동안에 스펙트럼 센싱을 수행하여 접근하는 방법으로 주변환경을 탐색하는 기기이다. 이러한 CR시스템을 현실화하는 데에는 우선사용자에게 간섭을 미치지 않기 위해, PU의 사용을 검출하는 스펙트럼센싱, 스펙트럼사용의 통계분석 및 시간적으로 변하는 주변환경에 대해 접근하는 방법 등에 대해 많은 연구가 필요하다[3][4].

참고문헌 (21)

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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