R&D연구결과보고서

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보안과제( ), 일반과제( ✔ ) 12-911-01-109

방송통신기술개발사업

LTE 신규 대역 개발을 위한 협력적 센싱 및 DB 기반 주파수 공유 기술에 관한 연구

(A study on the spectrum sharing techniques based on cooperative sensing and DB for CR-LTE systems)

2014. 03. 28.

서강대학교 산학협력단

미 래 창 조 과 학 부

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제 출 문

미래창조과학부 장관 귀하

이 보고서를 "LTE 신규 대역 개발을 위한 협력적 센싱 및 DB 기반 주파수 공유 기

술에 관한 연구" 과제의 보고서로 제출합니다.

2014. 03. 28.

주관연구기관 : 서강대학교 산학협력단

총괄 책임자 : 성 원 진

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기술개발사업 연차보고서 초록

과제번호 12-911-01-109

과제명 LTE 신규 대역 개발을 위한 협력적 센싱 및 DB 기반 주파수 공유 기술 연구

키워드 동적 주파수 할당/인지무선/롱텀에볼루션/스펙트럼 센싱/방송 유휴대역 개발목표 및 내용

1. 단계목표

CR-LTE 시스템 요소 기술 통합 연구

2. 개발내용 및 결과

¡ 스펙트럼 센싱 RF 기술

Ÿ TV 유휴대역 (470 ~ 698MHz)의 스펙트럼 사용 유무를 확인할 수 있는 스펙트럼 센싱 모듈 프로토타입 연구를 수행하고 핵심 부품 개발

Ÿ 핵심 RF 부품인 tunable-filter와 LNA 모듈, saw-filter 모듈 설계 및 제작

╶ Tunable-filter: TV 유휴대역 전 대역 스캔/디지털 튜닝/중심주파수 이동

╶ LNA 모듈: LNA 모듈과 switch-LNA 모듈 결합/소형화/약 34dB의 dynamic range

╶ Saw-filter: 주변의 spurious 신호를 제거하는 기능/rat-race couper 형태의 balun 설계

Ÿ 스펙트럼 센싱 RF 수신기 설계 및 측정

Ÿ Dual-band BPF 설계: TV 유휴대역인 470 ~ 698MHz와 LTE 대역인 824 ~ 894MHz에서 동시에 통과대역을 가지는 이중대역 여파기 설계

¡ CR 엔진 설계 기술

Ÿ 센싱 시간 및 센싱 주기의 최적값 도출 연구

╶ 센싱 시간 및 센싱 주기에 따른 검출 확률 분석

╶ 센싱 시간과 센싱 주기의 오버헤드를 함께 고려한 최적의 파라미터 도출 Ÿ 센싱 시간과 퓨전 센터로 보고하는 시간 간의 상관관계 연구

Ÿ 센싱 시간 및 센싱 주기 설정에 따른 검출 확률 및 수율 연구

¡ 시스템 운용 기술

Ÿ CR-LTE에서의 스펙트럼 공유 시나리오 연구 Ÿ CR-LTE 운용 알고리듬 연구

Ÿ 단절 없는 CR-LTE 서비스를 위한 in-band 센싱 기술 연구 Ÿ ABS를 이용한 in-band 센싱 기술 연구

Ÿ CR-LTE 시스템의 DB활용과 협력적 센싱을 통한 1차 사업자 검출 알고리듬 Ÿ CR-LTE 시스템의 수율 증대를 위한 ABS 구조 활용의 in-band 센싱 연구

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3. 기대효과(기술적 및 경제적 효과)

¡ 기술적 기대효과

Ÿ 기존의 legacy LTE 시스템에서 진일보한 CR-LTE 기술 개념을 제공

Ÿ RF 프론트엔드의 구조 변경을 통한 센싱 노드로써의 활용, 기존 표준에 충실하되 CR 적용을 위한 최소한의 소프트웨어 업그레이드 방안 제시 등 최소한의 투자를 통해 신규 대역을 사용 가능하게 함

Ÿ LTE 시스템의 신규 주파수 확보를 위해 기존의 기지국, 중계국, RRH를 분산 센싱 노드로 활용하여 CR 기술을 적용

Ÿ LTE의 carrier aggregation 기능을 기반으로 하여 CR 대역의 경우 부차적인 요소 반송파를 할당함으로써 갑작스러운 PU의 출현에도 통신 품질 유지

Ÿ CR-LTE 시스템 운영을 위한 기술적 요소 기술 (RF, 센싱 엔진, 운용 기술)의 통 합적 제공

¡ 경제적 기대효과

Ÿ 4G 및 그 이후 이동통신 시장에 매우 큰 파급효과를 가져올 수 있으며, 국제 표준 화를 통한 지적재산권 확보에 크게 기여할 수 있는 연구 주제임

Ÿ 기존의 CR 기술을 진일보시킬 수 있는 방안을 제시함으로써, CR 적용이 가능한 다 양한 대역에 대해 활용도를 높임

Ÿ 국가에서는 기술의 품질 기준 (센싱 성능, 지연 시간, 간섭 레벨 등)만을 제시하고 사업자는 그 기준을 맞추도록 스스로 인프라를 개선하여 추가 주파수 확보를 통한 서비스 개선을 하도록 유도

Ÿ TV 유휴 대역을 활용하는 CR 통신의 촉매제 역할

Ÿ 중계기 제조 등 통신부품 및 기기 제작 중소업체의 활성화에 기여 Ÿ 광대역 멀티미디어 데이터 기반의 응용 소프트웨어 개발 산업을 지원 Ÿ 이동 무선 통신 산업의 활성화를 통해 시장 발전 및 고용 창출 효과 제고

4. 적용분야

¡ CR-LTE 시스템의 운영을 통해 4세대 이동통신용 추가 대역을 확보 기술로 활용

¡ 기존에 존재하는 TV, PC, 휴대폰 등에 적용되어 고품질 데이터 전송, 근거리/지역 네 트워크 등에 이용

¡ LTE 기지국 및 중계기에 적용

¡ CR을 활용하는 다양한 무선통신 시스템에 적용

¡ TV 유휴 대역을 활용

¡ 광대역 멀티미디어 데이터 기반의 응용 소프트웨어 개발 산업을 지원

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기술개발사업 주요 연구성과

사업명 방송통신기술개발사업

과제명 LTE 신규 대역 개발을 위한 협력적 센싱 및 DB 기반 주파수 공유 기술 연구

주관기관명 서강대학교 산학협력단 설립일 2004.04.13

주소 (121-742) 서울시 마포구 백범로 35 (신수동) 서강대학교

대표자(기관장) 이 태 수 연락처 02-705-8473

총괄책임자 성 원 진 FAX 02-706-4216

총개발기간 2012.05.01. ~ 2015.04.30.

총사업비(백만원) 900 정부출연금 900 민간부담금 -

참여기관(책임자)

성과지표 세부지표 성 과 비 고

사업화 성과

매출액

개발제품 개발후 현재까지 억원

향후 3년간 매출 억원

관련제품 개발후 현재까지 억원

향후 3년간 매출 억원

시장 점유율

개발제품

개발후 현재까지 국내 : % 국외 : % 향후 3년간 매출 국내 : % 국외 : %

목 차

제 1 장 서론 ···18

제 1 절 개발기술의 중요성 및 필요성 ···18

1. 개발 대상 기술ᆞ제품의 중요성 ···18

2. 개발 대상 기술ᆞ제품의 필요성 ···19

제 2 절 기술개발 시 예상되는 기술적ᆞ경제적 파급효과 ···19

1. 기술적 측면 ···19

2. 경제적 측면 ···20

제 2 장 기술개발 내용 및 방법 ···21

제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ···21

1. 최종 목표 ···21

2. 개발기술의 평가방법 및 평가항목 ···21

제 2 절 연차별 개발 내용 및 개발범위 ···23

1. 1차년도 개발내용 및 범위 ···24

제 3 장 결과 및 향후계획 ···33

제 1 절 연구개발 결과 ···33

1. 연차 연구개발 추진 일정 ···33

2. 연차 연구개발 추진 실적 ···34

3. 각 기관/기업별 추진 내역 ···62

4. 기술개발 결과의 유형 및 무형 성과 ···63

제 2 절 시장 현황 및 사업화 전망 ···65

1. 국내ᆞ시장 현황 ···65

2. 사업화 전망 ···67

(13)

제 3 절 차기 연차 계획 ···69

제 4 절 사업비 사용현황 ···73

1. 비목별 총괄표 ···73

2. 참여연구원 ···74

3. 위탁 및 용역과제 ···75

제 5 절 기업 재무건전성 현황 ···76

별첨 1. 자체보안관리진단표 ···77

(14)

표 목 차

표 2-1. 최종 목표 ···21

표 2-2. 개발기술의 평가방법 및 평가항목 ···21

표 2-3. 연차별 개발내용 총괄 ···23

표 3-1. 연차 연구개발 추진 일정 ···33

표 3-2. 국내ᆞ외 시장 규모 및 수출ᆞ입 규모 ···67

표 3-3. 2012년 국내ᆞ외 LTE 기지국 수요량 ···67

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그 림 목 차

그림 2-1. 스펙트럼 센싱 모듈 ···24

그림 2-2. PIN diode를 사용한 RF band-pass filter ···25

그림 2-3. 기지국과 중계기 간 협력을 통한 (a) 센싱 커버리지 확장 및 (b) PU 에너지 레벨 센싱 예시···26

그림 2-4. 협력적 센싱을 활용한 PU의 에너지레벨 지도 ···27

그림 2-5. 하향링크 채널 구조 ···27

그림 2-6. 상향링크 채널 구조 ···27

그림 2-7. CR-LTE 송수신단 RF 구조 ···28

그림 2-8. CR 센싱 주기 제어 ···29

그림 2-9. 센싱 모듈의 성능 분석 개념도 ···31

그림 2-10. 전송노드 분포에 따른 센싱 커버리지 변화 ···31

그림 3-1. 스펙트럼 센싱 수신기 모듈 ···34

그림 3-2. 제안한 가변 대역 통과 여파기의 (a) 회로도 및 (b) PCB 레이아웃 ···35

그림 3-3. 캐패시터 뱅크의 삽입손실 ···35

그림 3-4. 가변 대역 통과여파기 실물 사진 ···36

그림 3-5. LNA 모듈의 회로도 ···36

그림 3-6. LNA 모듈의 (a) PCB 레이아웃 및 (b) 실물 사진 ···37

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그림 3-7. LNA 모듈의 S-parameter 측정 결과 ···37

그림 3-8. LNA 모듈의 noise figure 측정 결과 ···38

그림 3-9. Saw filter 모듈의 회로도 ···38

그림 3-10. Saw filter 모듈의 (a) S-parameter 측정 결과 및 (b) 실물 사진 ···39

그림 3-11. Up-converter 실물 사진 ···40

그림 3-12. Frequency synthesizer 실물 사진 ···40

그림 3-13. Demodulator 실물 사진 ···41

그림 3-14. Demodulator의 AGC 모드의 Av 특성 측정 ···41

그림 3-15. 스펙트럼 센싱 RF 수신기 전체 구조 ···42

그림 3-16. 스펙트럼 센싱 RF 수신기 전체 측정 사진 ···43

그림 3-17. 전체 스펙트럼 센싱 RF 수신기 Av 측정 ···43

그림 3-18. 전체 스펙트럼 센싱 RF 수신기 측정 결과 ···44

그림 3-19. 전체 스펙트럼 센싱 RF 수신기의 (a) 주파수에 따른 Av 및 (b) 주 파수에 따른 V^AGC···45

그림 3-20. 이중대역 여파기의 (a) 설계 회로 및 (b) 레이아웃 ··· 45

그림 3-21. 이중대역 여파기 시뮬레이션 결과 (a) 470 ~ 590 MHz + 824 ~ 894 MHz (b) 590 ~ 698 MHz + 824 ~ 894 MHz ···46

그림 3-22. 시뮬레이션과 실제 측정 비교 결과 ···46

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그림 3-23. 이중대역 여파기 합성 (a) 회로 및 (b) 레이아웃 ···47

그림 3-24. 이중대역 여파기 합성 시뮬레이션 결과 (a) S²¹ 및 (b) S¹¹ ···47

그림 3-25. 센싱 프레임 구조 ···48

그림 3-26. 센싱 시간에 따른 검출 확률 ···49

그림 3-27. PU 신호 변화와 센싱 주기 차이에 대한 시나리오 ··· 49

그림 3-28. 센싱 주기에 따른 검출 확률 ···50

그림 3-29. 센싱 시간과 센싱 주기를 고려한 검출 확률 ···50

그림 3-30. 센싱 및 리포팅 프레임 구조 ···51

그림 3-31. 양자화 비트 수에 따른 소프트 결합 방식의 ROC 결과 ··· 52

그림 3-32. 서로 다른 센싱 주기 및 센싱 시간을 나타낸 프레임 구조 ··· 53

그림 3-33. 센싱 주기 및 센싱 시간 설정 방법에 따른 (a) 검출 확률 및 (b) 수율···53

그림 3-34. 스펙트럼 공유 시나리오 ···54

그림 3-35. CR-LTE 운용 알고리듬 ···55

그림 3-36. LTE-A의 프레임 구조 ···56

그림 3-37. 기존의 ABS에서 CRS만을 고려한 subframe의 구조 ···57

그림 3-38. CR-LTE 시스템의 DB 활용 및 PU 검출 시행 알고리듬 ···57

그림 3-39. 문턱 값에 따른 검출 확률 및 오 경보 확률의 상충관계 ···58

그림 3-40. CR-LTE 시스템의 협력적 센싱 모습 ···59

(18)

그림 3-41. AND 및 OR 검출 기법에 따른 협력적 센싱의 채널 활용도 ···59

그림 3-42. AND 검출 기법을 활용하는 협력적 센싱의 미검출 확률 성능 평가 ···60

그림 3-43. OR 검출 기법을 활용하는 협력적 센싱의 미검출 확률 성능 평가 ···61

그림 3-44. 서강대학교 CR-LTE 연구팀 편성도 ···62

그림 3-45. 센싱 모듈의 성능 분석 개념도 ···69

그림 3-46. CR-LTE 송수신단 RF 구조 ···70

그림 3-47. 전송노드 분포에 따른 센싱 커버리지 변화 ···70

그림 3-48. CR 시스템 운용 기술을 위한 협력적 센싱 기법 연구 및 성능 평가 ···71

그림 3-49. 레일리 페이딩과 로그노말 쉐도잉 채널 환경 ···72

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제 1 장 서 론

제 1 절 개발 기술의 중요성 및 필요성

본 과제는 3GPP LTE　(long-term evolution) 통신 시스템의 보다 광범위한 활용을 위한 추가 주파수 확보 방안에 관한 것이며, LTE 시스템을 위해 할당되지 않았던 주파수 대역에 대한 인지무선 (cognitive radio; CR) 기술 적용 및 사전 정보 데이터베이스 (database; DB) 활용을 통해 안정적이고 효율적인 방식으로 주파수 활용도를 높이는 기술을 제공함을 목표로 한다. 본 과제에서는 기존 LTE 대역 이외의 대역에 대해 CR 기술을 적용하여 사용하는

“CR-LTE” 시스템을 제안하고, 이의 구성 방식 및 핵심 요소 기술을 개발한다.

1. 개발 대상 기술ᆞ제품의 중요성

○ 기존에는 음성서비스가 주를 이루면서 모바일 트래픽이 크게 증가하지 않았었다. 그러나 몇 년 전부터 스마트폰과 태블릿 PC등 모바일 정보통신 기기의 급속한 확산과 동시에 모바일 인터넷, 멀티미디어 서비스 등의 데이터 기반 서비스가 활성화되면서 모바일 트래픽의 양이 폭 증하였다. 또한 앞으로도 이러한 데이터 기반 서비스가 더더욱 활성화될 것으로 예측되기 때문 에, 모바일 트래픽의 양은 계속 증가할 것으로 예상된다.

○ 미래창조과학부의 무선데이터 트래픽 월별 통계에 따르면 2014년 2월 말을 기준으로 전 체 무선통신트래픽은 74,815 TB인 것으로 나타났다. 이는 2012년 1월 29,748 TB에 비해 약 2.5배 증가한 수치이다. 특히 LTE 트래픽의 경우 2012년 1월에서 2014년 2월까지 2,838, TB에서 59,287 TB로 약 21배 증가하였다. Ericsson의 조사에 따르면 전 세계적으로 도 모바일 트래픽이 계속 증가한 것으로 나타났다. 음성 트래픽의 경우는 증가폭이 크지 않았 지만, 데이터 트래픽의 경우 2012년 4분기의 트래픽이 2009년 3분기와 비교하여 7배 정도 증가하였다. 또한 Cisco에 따르면 월별 무선통신트래픽이 2013년부터 2018년까지 61%의 연 평균 성장률 (CAGR, Compound Annual Growth Rate)로 성장하여 15.9 EB (ExaByte, 10¹⁸ byte)가 될 것으로 전망하고 있다.

○ 데이터 폭증에 대응할 수 있는 시스템 중 하나가 LTE-Advanced (LTE-A)이다.

LTE-A는 ITU (International Telecommunication Union)에서 권고하는 4G 이동통신 시스 템의 규격 중 하나인 최대 1Gbps의 데이터 전송속도가 가능하도록 설계가 되었다. 그러나 LTE-A가 최고의 성능을 내기 위해서는 최대 100MHz (carrier aggregation을 적용할 수 있는 최대 대역폭)의 대역이 필요하다. 그러나 주파수 대역은 유한하고, 현재 다양한 용도로 이미 할당되어있는 현실에 비추어 볼 때 100MHz의 넓은 대역을 확보하는 것은 무리가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 제안된 방법의 하나로 활용 빈도가 낮은 주파수 대역을 공유하 는 CR 기술이 전세계적으로 관심을 받고 있다.

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2. 개발 대상 기술ᆞ제품의 필요성

○ 주파수 부족 문제는 국내뿐만 아니라 전 세계적으로 공통적으로 발생하고 있는 문제이다.

그래서 이러한 주파수 부족 문제를 해결할 수 있는 방법 중 하나인 CR 기술은 현재 전 세계 적으로 미국, 유럽, 일본 등 이동통신이 활성화된 지역에서 정부기관, 기업의 주도하에 주요 연구 과제가 되고 있다. 또한 이러한 추세에 맞춰 CR 기술에 대한 다양한 표준 또한 완료 또 는 작성 단계에 있다. IEEE, IETF, ECMA international 등의 단체에서 이러한 표준을 작성 하는 일을 수년 전부터 진행하여 왔다. 이런 추세로 볼 때 향후에는 CR이 주파수 부족 문제를 일정량 해결하는 기술로서 상용화 될 것으로 전망된다.

○ 최근 다양한 기관 및 기업에서 CR에 관한 연구를 진행하고 있으며 표준을 제정하고 있지 만, CR 기술을 LTE 등의 이동통신 시스템에 적용한 연구는 일부 학계를 중심으로 초기 단계 로 진행 중이다. 하지만 현재 주파수 부족의 많은 부분은 이동통신에서 나타나고 있기 때문에, 향후에는 이동통신 서비스가 유휴대역을 사용하는 CR 기술을 필요하게 될 것으로 예상된다.

따라서 본 과제의 수행을 통해 CR 기반의 주파수 공유 기술을 사용하는 LTE-A 시스템 개발 에 선도적인 역할을 수행하고 이를 표준화 작업에 반영하도록 함으로써, 핵심 지적재산권 확보 에 따른 국익증대와 기술적 역량 개발에 있어 중대한 효과를 누릴 것으로 기대된다.

제 2 절 기술개발 시 예상되는 기술적‧경제적 파급효과

1. 기술적 측면

○ 연구 결과는 기존의 legacy LTE 시스템에서 진일보한 CR-LTE 기술 개념을 제공하며, 후보 대역 PU 신호의 종류, 사용 빈도 및 전송 패턴 등의 정보를 기존 primary 시스템과 연 결된 DB를 통해 제공받음으로써 스펙트럼 센싱 성능을 비약적으로 향상시키게 된다.

○ RF 프론트엔드의 구조 변경을 통한 센싱 노드로써의 활용, 기존 표준에 충실하되 CR 적 용을 위한 최소한의 소프트웨어 업그레이드 방안 제시 등 최소한의 투자를 통해 신규 대역을 사용 가능하게 한다.

○ LTE 시스템의 신규 주파수 확보를 위해 기존의 기지국, 중계국, RRH를 분산 센싱 노드 로 활용하여 CR 기술을 적용하며, LTE의 carrier aggregation 기능을 기반으로 하여 CR 대 역의 경우 부차적인 요소반송파를 할당함으로써 갑작스러운 PU의 출현에도 데이터 통신의 품 질을 적정선으로 유지한다.

(21)

2. 경제적 측면

○ 4G 및 그 이후 이동통신 시장에 매우 큰 파급효과를 가져올 수 있으며, 국제 표준화를 통한 지적재산권 확보에 크게 기여할 수 있는 연구 주제이다.

○ 기존의 CR 기술을 진일보시킬 수 있는 방안을 제시함으로써, CR 적용이 가능한 다양한 대역에 대해 활용도를 높일 수 있다.

○ 국가에서는 기술의 품질 기준 (센싱 성능, 지연 시간, 간섭 레벨 등)만을 제시하고 사업 자는 그 기준을 맞추도록 스스로 인프라를 개선하여 추가 주파수 확보를 통한 서비스 개선을 하도록 유도한다.

○ TV 유휴 대역을 활용하는 CR 통신의 촉매제 역할을 할 수 있다.

○ 중계기 제조 등 통신부품 및 기기 제작 중소업체의 활성화에 기여하게 된다.

○ 광대역 멀티미디어 데이터 기반의 응용 소프트웨어 개발 산업을 지원한다.

○ 이동 무선 통신 산업의 전반적인 활성화를 통해 시장 발전 및 고용 창출 효과를 가져 온 다.

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제 2 장 기술개발 내용 및 방법

제 1 절 최종 목표 및 평가 방법

1. 최종목표

표 2-1. 최종 목표

구분 최종 목표 세부 목표 정량적 목표

스펙트럼 센싱 RF

기술

센싱 및 CR RF 핵심 부품 개발

- 스펙트럼 센싱 RF 수신기 설계 및 핵심 부품 개발

- 스펙트럼 센싱 RF 프로토타입 개발

- 센싱 정확도 및 CR RF 핵심 부품

CR 엔진

설계 기술 센싱 운영 기술 확보 - 센싱 알고리듬

- CR 센싱 주기 제어 기술 - 센싱 정확도 시스템

운용 기술

CR-LTE 시스템 운용 기술 제시

- Legacy LTE 시스템과 호환성 분석

- CR-LTE 시스템 수율 평가 - 시스템 수율

2. 개발기술의 평가방법 및 평가항목

표 2-2. 개발기술의 평가방법 및 평가항목

평가항목 (주요성능

Spec)

단위

전체항목 에서 차지하는

비중 (%)

세계최고 수준 보유국/

보유기업

연구개발 전 국내수준

개발 목표치

평가 방법

성능수준 성능수준

1 차 년 도

2 차 년 도

3 차 년 도

센싱 정확도^주1) % 60 87.26

90 (PU 검출만)

90 92 95 모의 실험 CR-LTE 시스템

수율^주2)

(Legacy LTE 대비 수율 증가율)

% 40 해당연구

없음

해당연구

없음 - - 180 모의

실험

주1) 센싱 정확도

- 용어 정의: PU가 있다는 것을 검출할 확률을 _이라고 하고, PU가 없다는 것을 검출할 확 률을 _라고 할 때, 센싱 정확도를 ^^×_ 로 정의함.

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- 세계 최고 수준: FCC의 2008년 TV 유휴대역 센싱 정확도 실험에 참여한 5개 업체 중 가 장 좋은 성능을 보인 I2R 사의 센싱 정확도(_=94%, _=81%)임.

- 국내 수준: TV 유휴대역에서 ATSC 신호 및 무선마이크 신호 검출 확률임.

- 개발 목표치: TV 유휴대역에서 센싱 기술 개선을 통해 센싱 정확도를 향상시킴.

주2) Legacy LTE 대비 수율 증가율

- 용어 정의: CR 주파수 대역폭과 Legacy LTE 주파수 대역폭이 동일하다고 가정할 때, CR 주파수 대역폭으로 인한 수율 증가율

- 세계 최고 수준: 해당 연구 없음.

- 국내 수준: 해당 연구 없음.

- 개발 목표치: 센싱 정확도를 증가시키고, CR 오버헤드 비율을 줄임으로써 시스템 수율 180% 달성.

(24)

제 2 절 연차별 개발 내용 및 개발범위

○ 연차별 개발내용 총괄

표 2-3. 연차별 개발내용 총괄

구분 1차년도(2012) 2차년도(2013) 3차년도(2014)

연도별 연구목표

o CR-LTE 시스템 요소 기술 연구

o CR-LTE 시스템 요소 기술 통합 연구

o CR-LTE 시스템 성능 분석 연구

연도별 연구내용

o 스펙트럼 센싱 RF 기술 - 스펙트럼 센싱 RF 수신기

설계 및 핵심 부품 연구 - CR-LTE RF 송수신단

아키텍처 연구

o 스펙트럼 센싱 RF 기술 - 스펙트럼 센싱 RF

프로토타입 연구

- CR-LTE RF 송수신단 핵심 부품 설계 연구

o 스펙트럼 센싱 RF 기술 - 스펙트럼 센싱 RF 성능

측정 연구

- CR-LTE RF 송수신단 핵심 부품 연구

o CR 엔진 설계 기술 - 협력적 센싱 기술 연구

o CR 엔진 설계 기술 - CR 센싱 주기 제어 연구

o CR 엔진 설계 기술 - 협력적 센싱 및 센싱 주기

통합 성능 연구

o 시스템 운용 기술

- CR-LTE 시스템의 호환성 분석 연구

o 시스템 운용 기술 - In-band 센싱을 위한

알고리즘 제안

- CR-LTE 복수 사업자 적용 시나리오 연구

o 시스템 운용 기술 - CR-LTE 시뮬레이션을

통한 수율 연구

연도별 주요결과물

o 스펙트럼 센싱 RF 수신기 설계도 및 핵심 부품 o 협력적 센싱 알고리듬 o CR-LTE 시스템의

호환성 검토 결과

o 스펙트럼 센싱 RF 프로토타입

o CR 센싱 주기 제어 알고리듬

o CR-LTE 복수 사업자 적용 시나리오

o In-band 센싱을 위한 알고리즘 평가

o 스펙트럼 센싱 RF 성능 측정 결과

o 협력적 센싱 성능 o CR-LTE 시스템 수율

o 센싱 RF 모듈 블록도: 1건 o 특허출원 : 1건

o 논문 : 3건

o 센싱 RF 프로토타입: 1건 o 특허출원 : 1건

o 논문 : 3건

o 시뮬레이션 : 1건 o 특허출원 : 1건 o 논문 : 3건

TRL 2단계 3단계 3단계

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1. 1차년도 개발내용 및 범위

가. 스펙트럼 센싱 RF 기술

(1) 스펙트럼 센싱 RF 수신기 설계 및 핵심 부품 개발

1차년도에는 TVWS 대역(470-698 MHz)의 스펙트럼 사용 유무를 확인할 수 있는 스펙트 럼 센싱 모듈에 대한 기초 연구 및 설계를 수행하고 핵심 부품을 개발하였다. 그림 2-1과 같 은 스펙트럼 센싱 모듈의 아키텍처를 설계하고 각 부품의 설계 사양을 결정하였다. 스펙트럼 센싱 하드웨어는, RF 수신기와 기저대역 모듈로 구성된다.

LNA RF BPF IF BPF IF amp LPF

PLL

ADC

대역 선택

BB amp

BB

RF 모듈 기저대역 모듈

그림 2-1. 스펙트럼 센싱 모듈

RF 수신기의 구성 및 각 부품의 사양은 ADC (Analog-to-Digital Converter) 입력에서 필요로 하는 최소의 SNR (SNRmin), PU (Primary User) 신호 검출을 위해 필요로 하는 최 소의 입력 전력 (Pi,min), 그리고, 검출 가능한 입력 전력의 범위 (Dynamic range)에 따라 결 정하며, 이러한 설계 변수들은 기저대역부의 에너지 검출 알고리듬 연구에서 얻어진다. RF 수 신기의 잡음지수 (Noise Figure; NF)는 아래 수식에 따라 결정한다. 이 잡음 지수는 에너지 검출 알고리듬의 정확도에 직접적인 영향을 주게 된다.

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RF 수신기의 변환 이득 및 선형성 특성은 ADC의 입력 전력의 범위 등을 바탕으로 결정하였 다. 센싱 대역내의 간섭 신호는 RF 수신기의 성능을 저하시키므로 우수한 선형성을 갖도록 설 계하였다. LNA는 RF 수신기 전체의 잡음지수를 결정하므로 광대역에서 낮은 잡음지수와 높 은 이득을 갖도록 설계하였다. RF BPF (Band-Pass Filter)는 대역을 스캔하고, image rejection 역할을 할 수 있는 가변 대역통과 여파기를 사용하는 구조를 제안한다. BPF는 그림 2-2와 같이 일반적으로 공진기가 서로 결합되어 있는 형태로 설계하였다. 지금까지는 주로 결합 계수 (C12)를 조절하여 대역폭을 조절하는 가변 BPF에 대한 연구가 많이 이루어져 왔 다. 본 과제에서는 중심주파수도 가변 가능해야하기 때문에, 이를 위해서는 공진기의 공진 주

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파수를 바꾸는 것이 필요하다. Capacitor bank를 구성하고 PIN diode를 사용하여 중심 주파 수를 바꿀 수 있는 방법에 대하여 연구를 수행하였다.

그림 2-2. PIN diode를 사용한 RF band-pass filter

Mixer는 광대역 특성을 가져야 하며, PLL에서 생성되는 LO 주파수 (fLO)에 따라 대역을 스캔하는 역할을 한다. IF BPF는 채널을 선택하는 역할을 하며, 주요 설계 변수는 채널의 대 역폭과 IF 주파수이다. 현재 TV에서 사용하고 있는 6 MHz 채널폭에 대한 센싱 알고리듬의 속도 및 정확성에 대한 연구가 진행된다.

(2) CR-LTE RF 송수신단 아키텍처 연구

본 과제에서 제안하는 CR-LTE 시스템은 PU가 존재하지 않을 때는 기존 대역과 신규 대역 을 동시에 LTE로 사용하고, PU가 나타났을 때에는 기존 대역만 LTE로 사용하게 된다. 따라 서, 기존 LTE 시스템의 일정 부분은 변경이 불가피하며 이 변경을 최소화하는 연구가 필요하 다. 특히, RF 송수신단에서는 신규 대역을 적절히 통과 또는 차단해주어야 우수한 수율의 CR-LTE 구현이 가능하다. 즉, 신규 대역을 사용할 경우, RF 송수신단은 최소한의 손실을 유 지하면서 신규 대역의 신호를 통과시켜야 하며, 기존 송수신단의 LO 주파수, 신호의 대역폭, IF BPF의 대역폭 등 여러 가지를 고려해야 한다. 또한, PU가 나타났을 때에는 기존 LTE 시 스템을 보호하고 통신 품질을 유지하기 위하여 PU 신호가 시스템으로 인가되어 간섭 신호로 동작하는 것을 방지해야 한다. 따라서, 이때에는 우수한 대역 차단 필터가 필요하게 된다. 이 렇듯 CR-LTE 시스템이 성공적으로 동작하기 위하여 기존 LTE RF 송수신단의 일정 부분을 변경해야 한다.

1차년도에는 기존 LTE 시스템을 크게 변경하지 않은 상태에서 CR-LTE를 효과적으로 구 현할 수 있는 RF 송수신단 아키텍처에 대하여 연구한다.

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나. CR 엔진 설계 기술

○ 협력적 센싱 기술 연구

CR 기반의 LTE 시스템에서 활용하기 위하여, PU 신호 검출을 위한 센싱 알고리듬의 기술 연구와 개발이 필요하다. 일반적으로 알려진 센싱 기술들 중 낮은 복잡도로 구현이 가능한 기 술로는 ED (Energy Detector) 센싱이 있다. 이는 PU 신호에 대해 SNR (Signal-to-Noise Ratio)이 보장되는 경우 비교적 높은 정확도로 PU 신호의 존재여부를 검출할 수 있다. 하지만 PU 노드와의 거리가 멀거나 채널상태가 좋지 않은 경우에는 ED에 필요한 충분한 SNR 값을 얻을 수 없게 되어 센싱 성능이 저하된다. 본 연구에서는 센싱 정확도를 높이고 검출시간을 단 축시키기 위한 방법으로 기지국 및 중계기를 활용한 협력적 센싱을 활용한다. 본 연구에서 고 려하는 중계기는 매크로 기지국과 optical fiber로 연결되어, 시간지연 및 대역폭 측면에서 이 상적인 백홀 네트워크의 특성을 갖게 한다. CR-LTE 시스템의 전송 노드들 (매크로 기지국 및 중계기)은 PU 신호 검출을 위해 ED 센싱을 수행하는 기능을 포함하고 있다. 따라서 각 전 송노드들은 그림 2-3에서 예시한 바와 같이, 센싱을 통해 PU 신호의 에너지 레벨을 측정한 정보를 갖게 되며 이러한 정보는 매크로 기지국으로 집중되어 협력적 센싱을 위해 활용된다.

(a) (b) 그림 2-3. 기지국과 중계기 간 협력을 통한

(a) 센싱 커버리지 확장 및 (b) PU 에너지 레벨 센싱 예시

각 전송노드들에서 검출된 PU의 에너지 레벨 정보는 optical fiber 백홀 네트워크를 통해 매크로 기지국으로 전달되어, 그림 2-4와 같은 PU의 에너지 레벨 지도를 작성함으로써 시스 템 내 존재하는 PU의 지리적 위치와 신호전송 여부를 판단하는 협력센싱을 수행하도록 한다.

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그림 2-4. 협력적 센싱을 활용한 PU의 에너지레벨 지도

다. 시스템 운용 기술

○ LTE와의 호환성 연구

CR 채널의 프레임 및 채널 구조는 LTE 표준에 따른다 [4]. LTE 시스템의 하향링크와 상 향링크 채널 구조는 각각 그림 2-5 및 그림 2-6과 같다 [5]. 그림 2-5의 하향링크 채널 구 조는 PDFICH (Physical Control Format Indicator CHannel), PHICH (Physical HARQ Indicator CHannel), 그리고 PDSCH (Physical Downlink Control CHannel) 등의 제어 채 널과 PDSCH (Physical Downlink Shared CHannel) 등의 데이터 채널을 포함한다. 그림 2-6의 상향링크 채널 구조는 PUCCH (Physical Uplink Control CHannel) 제어 채널과 PUSCH (Physical Uplink Shared CHannel) 데이터 채널을 포함한다.

이러한 경우 LTE의 기존 프레임 및 채널구조를 이용하여 CR-LTE를 지원함에 부족함이 없는지, LTE와의 호환성에 대한 연구를 수행한다. 특별히 MAC 레벨에서 필요한 시그널링을 기존 프레임 및 채널 구조를 변경 없이, 그 위에 payload 형태로 처리하는 방법에 대해서 연 구한다.

그림 2-5. 하향링크 채널 구조 그림 2-6. 상향링크 채널 구조

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(1) 스펙트럼 센싱 프로토타입 개발

1차년도에서 개발된 핵심 부품을 이용하여 스펙트럼 센싱 RF 수신기의 프로토타입을 개발 한다. 또한, 기저대역 모듈을 설계하여 구현한다. PU 신호는 RF 수신기에 의해서 IF로 주파수 변환되고, 기저대역 모듈에서 기저대역으로 변환된다.

PA PA Legacy LTE RF 송수신단

TX RX

TX Duplexer RX

Duplexer

CR Engine Dual-band

BPF Ant

Up/down Conversion

Up/down Conversion LNA

LNA

CR LTE RF 송수신단

그림 2-7. CR-LTE 송수신단 RF 구조

(2) CR-LTE RF 송수신단 핵심 부품 설계

1차년도 연구로 얻어진 CR-LTE RF 송수신단 아키텍처를 바탕으로 이를 구현할 수 있는 핵심적인 RF 부품 (dual-band BPF 등)을 설계한다.

나. CR 엔진 설계 기술

(1) CR 센싱 시간 및 주기 제어 연구의 필요성

○ CR 시스템에서 센싱 시간이 길수록 PU 검출 확률이 증가한다. 그러나 센싱 시간이 증가 함에 따라 실제 데이터의 송수신에 사용할 수 있는 자원의 양이 감소되는 문제가 있다. 따라서 센싱 시간과 센싱 오버헤드로 인한 수율 감소 사이에 적절하게 센싱 시간을 조절하여야 한다.

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○ CR 시스템에서 센싱을 빈빈히 수행하면, 즉 센싱 주기가 짧을수록 갑작스럽게 발생하는 PU를 빠르게 검출할 수 있다. 그러나 센싱 주기가 짧을수록 센싱 횟수가 빈번하게 되어 센싱 오버헤드가 증가하여 시스템 수율이 감소된다. 따라서 센싱 주기와 센싱 오버헤드로 인한 수율 감소 사이에 적절하게 센싱 주기를 조절하여야 한다.

(2) CR 센싱 시간 및 주기 제어 연구

○ CR-LTE 시스템에서 센싱 시간 및 센싱 주기를 제어함으로써 센싱 오버헤드 비율을 적 절히 유지하면서 시스템 수율 감소를 줄이는 연구를 수행한다.

○ 그림 2-8과 같이 센싱 노드 1은 한번 센싱할 때 센싱 시간이 길고, 센싱한 이후 다음 센 싱할 때까지 센싱 주기가 길다. 반면 센싱 노드 2는 센싱하는 시간은 짧지만 센싱 주기가 짧 아서 빈번한 센싱이 이루어진다. 센싱 노드 1과 센싱 노드 2는 동일한 센싱 오버헤드를 가지 지만 PU 검출을 위한 센싱 정확도와 PU가 발생하였을 때 이를 감지할 때까지의 소요 시간에 서 차이가 있다.

○ 본 연구는 센싱 시간과 센싱 주기에 따른 센싱 성능과 시스템 수율 간의 상관 관계를 도 출한다.

그림 2-8. CR 센싱 주기 제어

다. 시스템 운용 기술

시스템 운용 기술 관점에서 생각해보면, CR-LTE 기술이 성숙하여 상용 LTE 시스템에 적 용되는 경우, 복수의 사업자가 CR-LTE 기술을 사용하려고 하는 경우를 생각할 수 있다. 이 경우, 고려해야 할 사항으로는 주파수 공유 기술을 사용하는 기술의 태생적인 특성으로 인하여 복수사업자간의 공존문제가 발생할 수 있게 된다. 즉 사업자 A와 B가 같은 주파수 대역에서 CR을 이용하여 LTE를 제공하려고 하는 경우, PU 신호가 없음을 인지하게 되면 두 사업자의 LTE 시스템 모두 해당 주파수 대역에서 채널을 획득하기 위해서 노력하게 되어 경쟁 관계에 놓이게 된다. 이러한 상황에서 생각해 볼 수 있는 것은, 각각의 사업자들이 자신만의 이익을 최대화하기 위해서 행동하는 방식과 각각의 사업자가 협력하여 공공의 이익을 증대하기 위해 서 행동하는 방식이 있다.

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○ 두 경우 모두 게임이론을 이용하여 관심 있게 연구할 수 있는 영역 중의 하나로서 각각의 플레이어가 자신만의 이득을 위해서 행동하는 경우가 사실은 자신에게 해가 되는 경우가 생길 수 있다. 가령, A와 B가 채널을 점유하기 위해서 매우 greedy하게 채널을 센싱 하고 채널이 비어있는 경우 바로 획득하는 시나리오인 경우, 악의를 품은 A가 거짓 PU 신호를 만들어서 B 가 채널을 엑세스하는 것을 막는 행동을 할 수 있다. 마찬가지로 B도 동일하게 행동하여 A의 채널 엑세스를 막을 수 있다. 이는 자신만의 이익을 취하기 위해서 극단적인 전략을 택하였을 때 발생할 수 있는 상황이며, 복수사업자의 주파수 공유에 따른 단편적인 예에 불과하다.

○ 이러한 복수 사업자의 공존문제는 비단 CR-LTE에서 뿐만 아니라 CR에서 일반적으로 발생할 수 있는 문제로서 멀티프로토콜에 대한 문제로 확장될 수 있다. 가령 CR을 이용하여 LTE를 제공하려는 사업자들과, CR을 이용하여 Wi-Fi를 이용하려는 사용자, bluetooth를 사 용하려는 사용자들이 혼재되어 있는 경우에는, 사업자간 공존 문제에 덧붙여서 프로토콜간의 공존 문제가 발생하게 된다.

○ CR을 이용하여 D2D (device-to-device)를 제공하고자 하는 움직임이 매우 활발함을 고려할 때 CR 대역에서 가능한 멀티프로토콜 문제는 더욱더 심각해질 수 있다.

○ 더 높은 센싱 문턱값을 가지고 있는 프로토콜에서 채널을 먼저 점유하는 현상이 생기고, 그렇게 해서 먼저 채널을 점유하게 되면 계속 그 채널을 홀딩하고 놓지 않으려는 특성 때문에 다른 프로토콜에서는 기아현상 (starvation)이 생기는 문제가 발생함을 알 수 있다.

○ 이에 대항하기 위하여 다른 프로토콜에서 센싱 문턱값을 경쟁적으로 높이게 되면, 두 사 업자 모두 매우 높은 문턱값에서 동작을 하게 되는데, 그런 상황에서는 채널을 공격적으로 점 유함으로 인해서 PU 신호가 있어도 이를 검출하지 못하고 PU 신호와 충돌이 생기는 매우 심 각한 문제가 생기게 됨을 알 수 있다.

○ 따라서 CR 기술을 사용하는 복수 사업자 또는 서로 다른 프로토콜을 사용하여 주파수를 공유하는 경우의 공존문제가 발생할 수 있으며 이에 대한 연구를 수행한다.

(1) 스펙트럼 센싱 RF 모듈 성능 검증 및 개선

3차년도에는 기개발된 스펙트럼 센싱 모듈의 이용하여 PU 검출 실험을 수행한다. 그림 2-9와 같이 신호발생기를 통하여 PU 신호를 발생시키고 센싱 모듈로 PU 신호를 검출하는 시험을 수행한다. 이를 통하여 센싱 모듈의 성능을 분석하고 성능 개선 연구를 수행한다.