본 논문에서는 비면허 대역 무선기기에 사용되는 주파수 공동사용 기술의 성능을 비교 분석할 수 있는 간섭부하 개념을 제안하였다. 간섭부하 개념은 다양한 주파수 공동사용 기술, 즉 주파수 호핑(FH: Frequency Hopping), 듀티 사이클(DC: Duty Cycle), 송신전 감지 기술을 사용하는 무선기기가 타 무선기기에 간섭을 주는 정도를 정량적으로 비교할 수 있다. 따라서 주파수 공동사용 기술기준이 일관되고 합리적으로 제정되었는지 평가하는데 도움을 줄 수 있다. 제안한 개념을 검증하기 위하여 다양한 2.4 GHz 대역의 무선기기의 주파수 공동사용 성능을 비교분석하였다. 또한, 실시간 테스트베드를 구축하고, FH과 DC의 경우, 기술기준에 따른 비트 오류 확률을 비교실험하였다. 실험 결과, 10개 채널을 FH하는 것과 10 % DC이 동일한 오류 확률을 가짐을 확인함으로써 본 논문에서 제안한 개념의 타당성을 확인하였다.
본 논문에서는 비면허 대역 무선기기에 사용되는 주파수 공동사용 기술의 성능을 비교 분석할 수 있는 간섭부하 개념을 제안하였다. 간섭부하 개념은 다양한 주파수 공동사용 기술, 즉 주파수 호핑(FH: Frequency Hopping), 듀티 사이클(DC: Duty Cycle), 송신전 감지 기술을 사용하는 무선기기가 타 무선기기에 간섭을 주는 정도를 정량적으로 비교할 수 있다. 따라서 주파수 공동사용 기술기준이 일관되고 합리적으로 제정되었는지 평가하는데 도움을 줄 수 있다. 제안한 개념을 검증하기 위하여 다양한 2.4 GHz 대역의 무선기기의 주파수 공동사용 성능을 비교분석하였다. 또한, 실시간 테스트베드를 구축하고, FH과 DC의 경우, 기술기준에 따른 비트 오류 확률을 비교실험하였다. 실험 결과, 10개 채널을 FH하는 것과 10 % DC이 동일한 오류 확률을 가짐을 확인함으로써 본 논문에서 제안한 개념의 타당성을 확인하였다.
In this paper, we proposed a concept of interference load to analyze the performance of spectrum sharing technologies in unlicensed frequency bands. The interference load can quantitatively compare the technical properties of various spectrum sharing technologies, such as frequency hopping(FH), duty...
In this paper, we proposed a concept of interference load to analyze the performance of spectrum sharing technologies in unlicensed frequency bands. The interference load can quantitatively compare the technical properties of various spectrum sharing technologies, such as frequency hopping(FH), duty cycle(DC), listen-before-talk(LBT). Therefore, it can help to evaluate whether a local regulation about spectrum sharing is reasonably established or not. In order to verify the suggested concept, we applied it to 2.4 GHz frequency bands. Also, we demonstrated a real-time test-bed. Two bit error rate(BER) curves for FH with 10 random channels and DC of 10 %, show such good agreement that our proposed concept is expected to be widely used to assess various spectrum sharing technologies.
In this paper, we proposed a concept of interference load to analyze the performance of spectrum sharing technologies in unlicensed frequency bands. The interference load can quantitatively compare the technical properties of various spectrum sharing technologies, such as frequency hopping(FH), duty cycle(DC), listen-before-talk(LBT). Therefore, it can help to evaluate whether a local regulation about spectrum sharing is reasonably established or not. In order to verify the suggested concept, we applied it to 2.4 GHz frequency bands. Also, we demonstrated a real-time test-bed. Two bit error rate(BER) curves for FH with 10 random channels and DC of 10 %, show such good agreement that our proposed concept is expected to be widely used to assess various spectrum sharing technologies.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 비면허 무선기기에 적용되고 있는 주파수 공동사용 기술의 성능을 비교․분석할 수 있 는 간섭부하 개념을 제안하였다. 간섭부하 개념은 다양한 주파수 공동사용 기술, 즉 FH, DC, LBT 기술을 사용하는 무선기기가 타 무선기기에 간섭을 주는 정도를 정량적으로 분석할 수 있다.
본 논문에서는 비면허 무선기기에 적용되고 있는 주파수 공동사용 기술의 성능을 비교할 수 있는 간섭부하 개념을 제안하였다. 간섭부하 개념을 이용하면 FH, DC, LBT 등의 다양한 주파수 공동사용 기술의 성능을 정량적으로 분석할 수 있어, 무선기기의 기술기준을 정할 때 기 술적인 관점에서 일관되고 합리적으로 제정되었는지 평가하는데 도움을 줄 수 있다.
또한, 본 논문에서는 이론적인 분석과 아울러 SDR(Software-Defined Radio) 보드인 USRP(Universal Software Radio Peripheral)와 LabVIEW를 이용하여 주파수 공동사용기술에 대한 간섭부하를 측 정․분석할 수 있는 테스트베드를 구축하고, 이를 통한 주파수 공동사용 기술의 평가가 타당함을 실험적으로 검증한다. 이를 통해 향후 주파수 공동사용 기술기준을 제정할 때 참고자료가 될 수 있도록 한다.
즉, 간섭을 주는 정도를 공통 기준으로 삼아 분석하면 비교가 가능하다. 이에 본 논문에서는 주파수 공동사용 기술, 즉 FH, DC, LBT 기술을 간섭부하(Interference load)라는 개념으로 그 성능을 비교하고자 한다. 간섭부하 개념은 참고문헌[6]에서 처음으로 도입한 개념이나, 개념만 제시되었지 그 구체적인 내용 및 이론이 기술되어 있지 않다.
가설 설정
그림 4는 간섭부하가 다른 2가지 무선기기 주변에 피 간섭원 수신기가 있을 때 간섭의 발생 여부를 나타낸다. 그림 4(a)의 간섭원은 간섭부하값이 크므로 피간섭원 수신기가 간섭영역 안에 있으므로 간섭이 발생하게 되는 반면, 그림 4(b)의 간섭원은 간섭부하값이 작으므로 LBT 동작에 의해 송신하지 않으므로 피간섭원 수신기에서는 간섭이 발생하지 않는다. 이와 같이 간섭부하 개념은 간섭의 영향을 2차원 평면에서 직관적으로 판단할 수 있게 해주는 장점이 있다.
즉, 간섭부하가 크다는 것은 간섭을 줄 수 있는 센싱영역과 간섭영역 사이의 면적이 크다는 의미가 된다. 반면, 그림 3(b)의 무선기기는 출력은 작고, 센싱레벨은 크므로 주변 무선기기에 간섭을 줄 확률이 낮다.
간섭부하 개념을 직관적으로 적용하기 위해 그림 3과 같이 LBT를 이용하는 두 개의 무선기기를 가정해 보자. 그림 3(a)의 무선기기는 그림 3(b)의 무선기기에 비해 상대적으로 출력은 크고 센싱레벨 성능은 나쁘다고 가정하자. 이에 따라 간섭영역이 센싱영역보다 크게 되며, 이 비율이 간섭부하의 값이 된다.
간섭부하 개념을 직관적으로 적용하기 위해 그림 3과 같이 LBT를 이용하는 두 개의 무선기기를 가정해 보자. 그림 3(a)의 무선기기는 그림 3(b)의 무선기기에 비해 상대적으로 출력은 크고 센싱레벨 성능은 나쁘다고 가정하자.
이제 LBT의 경우와 마찬가지로 피간섭원 파라미터의 영향을 배제하기 위하여 BWvictim과 BWinterferer이 같다고 가정하며, 피간섭원의 영향 없이 주파수 공동사용의 영향을 비교할 수 있다. 이는 일반적으로 무선설비규칙에서 채널의 대역폭은 일정한 간격으로 정하는 것과 같다.
제안 방법
11b/g 규격의 Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee를 선정하였다. Bluetooth의 경우는 100 mW 출력을 내는 Class 1, 2.5 mW 출력의 Class 2, 2 MHz 대역에서 10 mW 출력을 내는 Bluetooth Low Energy(BLE) 3개를 비교 하였다. 2.
다음으로 간섭원이 DC와 FH 방식을 사용하는 경우에 대한 성능 비교를 위해 DC 10 %의 간섭원과 10개 채널을 호핑하는 FH 간섭원에 의한 간섭영향을 측정하였다. DC 10 % 간섭원의 경우, 20초 이내에 2초간 간섭신호를 발생 시켰고, FH 간섭원의 경우, 10개 채널에 대해 0.4초에 한 번씩 호핑하도록 하였다. 실험 결과는 그림 7과 같다.
간섭원과 피간섭원의 중심주파수는 2.4 GHz ISM 대역으로 설정하였고, 간섭원의 수신전력이 피간섭원의 수신 신호전력보다 항상 10 dB 작게 설정하고 실험하였다.
통신 속도는 저속인 250 kbps로 설정하였다. 간섭원은 Host PC 2에서 LabVIEW를 이용해 FH 또는 DC 기능을 갖는 간섭신호를 발생시키고, 이를 USRP를 통해 RF 신호를 송신하도록 하 였다. 간섭원의 경우도 피간섭원과 같은 변조방식을 사용하고, 통신 파라미터는 피간섭원과 동일하게 설정하였다.
다음으로 간섭원이 DC와 FH 방식을 사용하는 경우에 대한 성능 비교를 위해 DC 10 %의 간섭원과 10개 채널을 호핑하는 FH 간섭원에 의한 간섭영향을 측정하였다. DC 10 % 간섭원의 경우, 20초 이내에 2초간 간섭신호를 발생 시켰고, FH 간섭원의 경우, 10개 채널에 대해 0.
실험 구성은 피간 섭원, 간섭원 및 채널의 3부분으로 구성된다. 먼저 피간 섭원은 Host PC 1에서 LabVIEW 프로그램을 이용해 송신 부와 수신부 모뎀을 구현하였다. Host PC1의 모뎀 출력은 기가비트 이더넷 케이블을 통해 USRP 보드로 연결되어, RF(Radio Frequency) 신호를 생성하게 된다.
발생된 간섭신호, 피간섭원의 송신신호, AWGN 잡음을 Mini-Cir- cuits사의 ZB3PD-63-s+ 3×1 컴바이너로 결합하여 피간섭 원의 USRP의 수신부로 받아 BER을 확인하였다.
간섭부하 개념을 이용하면 FH, DC, LBT 등의 다양한 주파수 공동사용 기술의 성능을 정량적으로 분석할 수 있어, 무선기기의 기술기준을 정할 때 기 술적인 관점에서 일관되고 합리적으로 제정되었는지 평가하는데 도움을 줄 수 있다. 본 논문에서는 제안한 간섭 부하 개념이 유용성을 보이기 위해 2.4 GHz 대역의 다양 한 기기를 대상으로 분석을 수행하였을 뿐만 아니라, US- RP와 LabVIEW를 이용한 테스트베드를 구축하였다. 구축된 시스템으로 FH과 DC의 차이에 따른 간섭의 영향을 실험적으로 분석한 결과, 10개 채널을 FH하는 것과 10 % DC이 동일한 간섭부하 특성을 가짐을 확인할 수 있었다.
본 장에서는 간섭부하 개념을 기반으로 2.4 GHz ISM 대역에서 동작하는 무선기기를 대상으로 다양한 규격 별로 간섭부하값을 비교한다. 먼저 2.
본 장에서는 간섭부하에 대한 이론의 타당성을 확인하기 위하여 SDR 보드인 USRP와 LabVIEW를 이용한 테스트베드를 구축하여 그 타당성을 실험적으로 검증한다. 이를 위하여 FH 및 DC 기능을 하는 간섭원을 구성하였다[7].
3의 값을 사용하였다. 비교를 위해 간섭부하의 최대값으로는 1 MHz 대역폭에서 100 mW의 출력을 가지면서 FH, DC, LBT 등 주파수 공동사 용 기술을 사용하지 않는 무선기기를 기준으로 하였다.
마지막으로 채널은 Agilent사의 E4437B 신호 발생기를 이용해 AWGN(Additive White Gaussian Noise) 잡음신호를 발생시켰다. 이러한 실험장치를 통해 SNR 및 FH, DC의 변화에 따른 BER(Bit Error Rate)를 비교하였다. 발생된 간섭신호, 피간섭원의 송신신호, AWGN 잡음을 Mini-Cir- cuits사의 ZB3PD-63-s+ 3×1 컴바이너로 결합하여 피간섭 원의 USRP의 수신부로 받아 BER을 확인하였다.
본 장에서는 간섭부하에 대한 이론의 타당성을 확인하기 위하여 SDR 보드인 USRP와 LabVIEW를 이용한 테스트베드를 구축하여 그 타당성을 실험적으로 검증한다. 이를 위하여 FH 및 DC 기능을 하는 간섭원을 구성하였다[7].
간섭부하 개념은 참고문헌[6]에서 처음으로 도입한 개념이나, 개념만 제시되었지 그 구체적인 내용 및 이론이 기술되어 있지 않다. 이에 본 논문에서는 간섭부하 개념을 수식으로 새롭게 정리하여 그 개념을 명확히 한다.
표 1에서 다른 파라미터는 간섭부하의 최대값과 같지만, DC만 10 %인 경우와 FH만 10채널 한 경우를 먼저 비교하였다. 두 경우 모두 식 (5)에 의하여 기준값 대비 1/10(—10 dB)의 간섭부하값을 가짐을 알 수 있다.
대상 데이터
4 GHz ISM 대역에서 동작하는 무선기기를 대상으로 다양한 규격 별로 간섭부하값을 비교한다. 먼저 2.4 GHz ISM 대역에서 동작하는 무선기기로 802.11b/g 규격의 Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee를 선정하였다. Bluetooth의 경우는 100 mW 출력을 내는 Class 1, 2.
성능/효과
본 논문에서는 비면허 무선기기에 적용되고 있는 주파수 공동사용 기술의 성능을 비교할 수 있는 간섭부하 개념을 제안하였다. 간섭부하 개념을 이용하면 FH, DC, LBT 등의 다양한 주파수 공동사용 기술의 성능을 정량적으로 분석할 수 있어, 무선기기의 기술기준을 정할 때 기 술적인 관점에서 일관되고 합리적으로 제정되었는지 평가하는데 도움을 줄 수 있다. 본 논문에서는 제안한 간섭 부하 개념이 유용성을 보이기 위해 2.
4 GHz 대역의 다양 한 기기를 대상으로 분석을 수행하였을 뿐만 아니라, US- RP와 LabVIEW를 이용한 테스트베드를 구축하였다. 구축된 시스템으로 FH과 DC의 차이에 따른 간섭의 영향을 실험적으로 분석한 결과, 10개 채널을 FH하는 것과 10 % DC이 동일한 간섭부하 특성을 가짐을 확인할 수 있었다. 또한, 10 % DC와 1 % DC가 BER 측면에서 10배 차이가 남을 검증하였다.
DC 10 % 간섭 영향 하에서 피간섭원의 BER은 ‘×’로 표시하 고, 10개 채널 FH 간섭 영향 하에서 피간섭원의 BER은 ‘○’와 같이 나타내었다. 두 경우를 비교했을 때, DC와 FH의 경우 두 간섭환경의 영향이 10 %으로 같은 경우 공 존기술방식에 상관없이 동일한 BER이 나오는 것을 확인 하였다. 따라서 DC와 FH 두 개의 기술은 동일한 성능을 가지는 것을 확인하였다.
구축된 시스템으로 FH과 DC의 차이에 따른 간섭의 영향을 실험적으로 분석한 결과, 10개 채널을 FH하는 것과 10 % DC이 동일한 간섭부하 특성을 가짐을 확인할 수 있었다. 또한, 10 % DC와 1 % DC가 BER 측면에서 10배 차이가 남을 검증하였다. 본 논문에서 제안한 간섭분석 개념을 국내 기술기준 재개정 시 활용된다면 향후 전파의 효율 적인 사용에 기여할 수 있을 것으로 사료된다.
따라서 무선기기 기술기준을 정할 때 기술적인 관점에서 일관되고 합리적으로 제정되었는지 평가하는데 도움을 줄 수 있다. 또한, 본 논문에서는 이론적인 분석과 아울러 SDR(Software-Defined Radio) 보드인 USRP(Universal Software Radio Peripheral)와 LabVIEW를 이용하여 주파수 공동사용기술에 대한 간섭부하를 측 정․분석할 수 있는 테스트베드를 구축하고, 이를 통한 주파수 공동사용 기술의 평가가 타당함을 실험적으로 검증한다. 이를 통해 향후 주파수 공동사용 기술기준을 제정할 때 참고자료가 될 수 있도록 한다.
DC 10 %의 간섭영향 하에서 피간섭원의 BER은 그림 6의 ‘×’로 표시하였고, DC 1 %의 간섭영향에 의한 피간섭원의 BER은 ‘◁’로 나타내었다. 이를 통해 DC 10 %일 때 BER이 DC 1 %일 때 BER보다 약 10배, 즉 10 dB 큰 것을 확인할 수 있다. 이는 표 1에서 이론적 으로 분석한 결과와 일치한다.
후속연구
또한, 10 % DC와 1 % DC가 BER 측면에서 10배 차이가 남을 검증하였다. 본 논문에서 제안한 간섭분석 개념을 국내 기술기준 재개정 시 활용된다면 향후 전파의 효율 적인 사용에 기여할 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
주파수 호핑방식이란?
먼저 주파수 측면에서 주파수 호핑(FH: Frequency Hopping) 방식이 있다. FH 방식은 비면허 주파수대역 내에 존재하는 여러 채널을 랜덤하게 이동함으로써 특정 채널을 지속적으로 점유 함으로써 발생하는 간섭을 회피하는 방식이다. 대표적인 예로 2.
주파수 공동사용 기술이란?
즉, 공간, 주파 수, 시간이 모두 겹치는 경우 간섭이 발생하며, 3가지 중 하나라도 겹치지 않으면 간섭은 발생하지 않는다. 따라서 주파수 공동사용 기술은 공간, 주파수, 시간의 3가지 영역 중 하나에서 신호가 분리되도록 하는 기술이다. 예를 들어 FH에서는 주파수 영역에서의 분리를, DC은 시간 영역에서 분리를, LBT는 공간 영역에서 분리를 하여 간섭을 피하도록 한다.
간섭온도가 협대역 시스템이나 페이딩 채널에 의한 유색잡음(colored noise) 형태의 간섭 환경에서는 적합하지 않은 이유는?
UWB(Utra Wide Band) 등 주파수 공동사용 기술을 위한 간섭 정량화로 간섭온도(interference temperature) 개념도 소개되었다[5]. 간섭온도는 UWB와 같 이 초광대역 잡음 특성을 갖는 시스템의 간섭전력을 열 잡음 형태의 백색잡음(white noise)으로 모델링하므로, 협대역 시스템이나 페이딩 채널에 의한 유색잡음(colored noise) 형태의 간섭 환경에서는 적합하지 않다.
참고문헌 (8)
김태한, "주파수 공동사용 제도 분석 및 국내 도입 방안", Journal of Information Technology Applications & Management, vol. 21, no. 4, pp. 449-462, 2014년.
강상기, 황택진, "효율적인 주파수 이용을 위한 주파수공유방법." 한국정보통신학회논문지, 12(8), pp. 1349-1355, 2008년.
미래부 무선설비규칙(미래부고시 제2016-52호), 2016년 6월.
윤현구, 장병준, "국내 RFI/USN 대역에서 PHY/MAC 계층을 모두 고려한 주파수 공동사용 분석 방법", 한국전자파학회논문지, 24(1), pp. 73-81, 2013년 1월.
Jay E. Padgett, Robert A. Ziegler, "Analysis of the interference temperature concept to support spectrum sharing between licensed services and unlicensed devices", Telcordia Technologies, 2004.
Jan Kruys, "Spectrum sharing criteria based on interference load", SpectrumConsult, 2015.
박진수, 윤현구, 장병준, "비면허기기 간 실시간 주파수간섭 분석 테스트베드 구현", 한국전자파학회논문지, 26(6), pp. 589-592, 2015년.
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