* 정회원 : 동의대학교 정보통신공학과 교수([email protected]) 접수일자 : 2013. 03. 07 심사완료일자 : 2013. 04. 02
기회적 스펙트럼 접속 방식의 성능 비교
이유태*
Performance Comparison of Opportunistic Spectrum Access Schemes in Non-slotted Cognitive Radio Networks Through Simulation Research
Yutae Lee*
이 논문은 2011년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. 2011-0014891)
요 약
본 논문은 비 슬롯 모드 인지 무선망에서 기회적 스펙트럼 접속 방식의 성능을 시뮬레이션을 통해 비교 분석한 다. 비교 분석할 두 가지 기회적 스펙트럼 방식은 다음과 같다. 첫 번째 방식은 어떤 채널에서 전송을 성공한 경우 동일한 채널을 다시 센싱하고, 실패한 경우 가장 오래전에 선택했던 채널을 센싱하는 방식이다. 두 번째 방식은 어 떤 채널에서 전송에 실패한 경우 동일한 채널을 다시 센싱하고, 성공한 경우 가장 오래전에 선택했던 채널을 센싱 하는 방식이다. 본 논문에서는 일차 사용자가 채널을 점유하는 기간에 따라 두 방식 사이의 성능을 비교한다.
ABSTRACT
We consider the design of opportunistic spectrum access schemes where secondary users can opportunistically access unused spectrum in non-slotted primary systems. Two non-slotted spectrum sensing and access schemes for secondary users are considered. We present experimental results that demonstrate the performance of the considered schemes.
키워드
기회적 스펙트럼 접속, 인지 무선망, 비 슬롯 모드, 시뮬레이션
Key word
Opportunistic Spectrum Access, Cognitive Radio Network, Non-slotted Mode, Simulation
Open Access
http://dx.doi.org/10.6109/jkiice.2013.17.6.1318
Ⅰ. 서 론
최근 무선 통신 서비스에 대한 수요가 급증함에 따라 주파수 자원 부족 문제가 크게 대두되고 있다 [1]. 하지 만 주파수 사용 현황을 실제로 측정한 결과, 시간과 지역 에 따라 주파수 대역의 상당한 부분이 사용되지 않고 있 다는 것을 알 수 있다. 이러한 사실을 이용하여 주파수 부족 문제를 해결해 줄 수 있는 기술로써 인지 무선 (Cognitive Radio, CR) 기술에 대한 관심이 증가하고 있 다 [2]. 인지 무선 기술이란 지역과 시간에 따라 사용하 지 않는 주파수를 자동으로 찾아 주변의 허가된 무선국 을 보호하면서 목적하는 통신을 가능하도록 만들어 주 는 기술이다. 따라서 인지 무선망을 실현하기 위해서는 효율적인 동적 스펙트럼 접속 기술의 개발이 선행되어 야 한다.
그림 1. 기회적 스펙트럼 접속 기술 Fig. 1 Opportunistic Specetrum Access
이 동적 스펙트럼 접속 기술 중 하나인 기회적 스펙트 럼 접속 (Opportunistic Spectrum Access, OSA) 기법은 주 파수를 사용하는데 있어서 우선권을 갖고 있는 일차 사 용자에게 간섭의 영향을 주지 않으면서, 이차 사용자로 하여금 기회적으로 주파수를 사용할 수 있도록 하는 기 술이다 [3]. 이 때 이차 사용자는 물리적인 제한이나 파 워 소비 문제로 전체 주파수 밴드를 감지하지 못할 수 있 다. 이 경우 이차 사용자가 감지할 수 있는 주파수는 제 한되어 있으므로, 주파수 이용률을 늘리기 위해서는 현 재 어떤 주파수 밴드의 상태를 센싱해야 할 것인지를 효 과적으로 결정할 수 있어야 한다 [4].
Zhao et al.은 일차 사용자와 이차 사용자가 동일한 슬롯 모드에서 동작한다고 가정하며 부분적으로 관찰 가능한 마르코프 결정 과정을 이용하여 시스템 수율 을 최대화할 수 있는 기회적 스펙트럼 접속 기법을 제 안하였다 [4]. Lee는 이차 사용자의 서비스 완료 시간 을 최소화할 수 있는 기회적 스펙트럼 접속 방식을 제 안하고 그 성능을 평가하였다 [5]. 이러한 방식은 주어 진 환경에서 목표로 하는 성능을 최대로 보장하는 반 면, 인지 무선망의 중요한 요구 사항 중 하나인 스펙트 럼 센싱 기능을 복잡하게 한다. 스펙트럼 센싱 기능을 단순화하기 위해 Zhao et al은 슬롯 모드에서 동작하는 주기적 채널 센싱 방식을 도입했다 [6]. Huang et al.은 비 슬롯 모드에서 동작하는 두 가지 스펙트럼 접속 기 법을 제안하였으나, 랜덤한 센싱 방식과 모든 채널을 센싱하는 방식의 극단적인 두 가지 방식만을 다루었 다 [7].
Zhao et al.은 슬롯 모드에서 동작하는 myopic 방식 을 제안하고, 슬롯 모드에서 동작하는 두 개의 상태를 갖는 동일한 두 개의 마코비안 채널이 존재하는 경우 myopic 방식이 시스템 수율을 높일 수 있는 최적의 방 식임을 보였다 [8, 9]. Lee는 myopic 방식에서 이차 사용 자간의 충돌을 줄일 수 있는 myopic/CA 방식을 제안하 였다 [10]. 슬롯 모드의 myopic 방식에서 센싱할 채널 을 선택하는 방식은 다음과 같이 단순화된 구조를 가 진다. 채널이 positively correlated 되어 있는 경우에는 현재 선택한 채널이 비어 있으면 다음에도 계속 동일 한 채널을 선택하여 센싱하고, 채널이 negatively correlated 되어 있는 경우에는 현재 선택한 채널이 비 어 있지 않으면 다음에도 계속 동일한 채널을 선택하 여 센싱한다 [8].
Lee는 비 슬롯 모드에서 동작하는 두 개의 채널이 있는 경우 이차 사용자가 전송을 성공하면 계속해서 동일한 채널을 센싱하는 방식을 이미 제안하였다 [11].
본 논문에서는 이차 사용자가 전송에 실패하면 동일
한 채널을 센싱하고 성공하면 다른 채널을 선택하는
방식을 새로 제안하며, [11]에서 제안된 방식과 비교한
다. 비 슬롯 모드에서도 채널 특성에 따라 슬롯 모드의
myopic 방식에서와 유사한 성능 차이가 나타나는지
조사한다.
그림 2. 기회적 스펙트럼 접속 방식 Fig. 2 Opportunistic Spectrum Access Schemes
Ⅱ. 기회적 스펙트럼 접속 방식 제안
본 논문에서는 일차 사용자와 이차 사용자 모두 비 슬롯 모드로 동작하는 인지 무선망을 고려한다. 또한 일차 사용자와 이차 사용자가 패킷 전송을 위한 동기화 가 되어 있지 않은 경우를 다룬다. 슬롯 모드에서 단순 하며 효율적으로 동작하는 것으로 알려진 myopic 방식 을 비슬롯 모드로 확장하는 두 가지 방식을 본 논문에 서 제안한다.
전송할 패킷이 있는 각각의 이차 사용자는 채널 중 하나를 센싱하여 그 채널이 사용되고 있지 않는 것으로 판단되면 패킷을 전송하고, 패킷의 전송을 완료한 후에 는
길이의 랜덤한 백오프 기간을 갖는다. 반면에, 센싱한 채널이 사용 중인 것으로 판단되면
길이의 랜 덤한 freezing 기간을 갖는다. 랜덤한 백오프 또는 freezing 기간 후에 이차 사용자는 센싱할 채널을 다시 선택하게 되는데, 선택 방식에 따라 방식 1과 방식 2의 기회적 스펙트럼 접속 기법을 제안한다. 그림 2에서
는 이차 사용자의 패킷 전송 시간을 나타내는 확률 변수 이고,
와
는 각각 채널이 일차 사용자에 의해 연속적
으로 사용 중인 기간과 사용되지 않는 기간을 나타내는 확률 변수이다.
∙방식 1 : 이차 사용자가 채널 중 하나에서 패킷 전송을 성공적으로 완료했다면, 랜덤한 백오프 기간
후 에 동일한 채널을 센싱한다. 반면에 패킷을 전송했으 나 실패하게 되면, 랜덤한 백오프 기간
후에 가장 오래전에 선택했던 채널을 센싱한다. 또한, 이차 사용 자가 센싱한 채널이 사용되고 있어 해당 채널에서 전 송을 시도하지 못했다면 랜덤한 freezing 기간
후에 가장 오래전에 선택했던 채널을 센싱한다 [11].
∙방식 2 : 이차 사용자가 채널 중 하나에서 패킷 전송을
성공적으로 완료했다면, 랜덤한 백오프 기간
후
에 가장 오래전에 선택했던 채널을 센싱한다. 반면에
패킷을 전송했으나 실패하게 되면 랜덤한 백오프 기
간
후에 동일한 채널을 센싱한다. 또한, 이차 사
용자가 센싱한 채널이 사용되고 있어 해당 채널에서
전송을 시도하지 못했다면 랜덤한 freezing 기간
후
에 동일한 채널을 센싱한다.
Ⅲ. 시뮬레이션
시뮬레이션을 위해 본 논문에서는 일차 사용자에 의 한 채널 점유 모형이 동일하며 독립인 두 개의 채널을 가정한다. 일차 사용자가 연속적으로 채널을 비워둔 기간
와 연속적으로 점유하고 있는 기간
는 독립인 지수 분포를 따르는 것으로 모형화 한다. 센싱 결과는 즉시 알 수 있으며, 그 결과에 오류가 없다고 가정한다.
따라서 충돌은 전송 중인 이차 사용자와 새로 도착하는 일차 사용자 사이에서만 발생하게 된다. 이차 사용자 에는 전송할 패킷이 항상 존재한다고 가정한다. 이차 사용자가 하나의 패킷을 전송하는 데 걸리는 시간
는 지수 분포를 따르는 것으로 모형화 한다. 확률 변수
의 평균
는 0.1이라고 가정한다. 랜덤한 백오프 시간
와 랜덤한 freezing 시간
는 각각 평균이
와
인 지수 분포를 따른다 고 가정한다.
그림 3. 에 따른 겹침 기간 비율 Fig. 3 Overlapping proportion vs.
그림 3과 4는 각각 일차 사용자와 이차 사용자가 동일 한 채널에서 겹쳐 있는 기간의 비율과 이차 사용자의 시 스템 수율을
에 대한 함수로 나타낸 것이다. 이 때, 10개의 이차 사용자가 있으며,
이라고 가정 했다. 이러한 환경에서 방식1은 방식 2에 비해 겹쳐 있는 기간이 약간 많아지긴 하지만 시스템 수율에 있어서 방 식 2보다 훨씬 좋은 성능을 보이고 있다.
그림 4. 에 따른 시스템 수율 Fig. 4 Throughput vs.
그림 5. 이차 사용자 수에 따른 성능 변화 Fig. 5 Performance vs. the number of secondary users
그림 5는 일차 사용자와 이차 사용자가 동일한 채널 에서 겹쳐 있는 기간의 비율과 이차 사용자의 시스템 수 율을 이차 사용자의 수에 대한 함수로 나타낸 것이다. 이 때,
이고
라고 가정했다. 이러 한 환경에서도 방식1은 겹쳐 있는 기간과 시스템 수율에 있어서 방식 2보다 좋은 성능을 보이고 있으나, 그 차이 는 크지 않다.
두 개의 마코비안 채널의 경우, 슬롯 모드로 동작하
는 myopic 방식이 최적의 시스템 수율을 보장한다는
것이 알려져 있다 [9]. myopic 방식의 센싱 방식은 채널
이 positively correlated 인 경우 방식 1과 유사하고, negatively correlated 인 경우 방식 2와 유사하다.. 하지 만, 비 슬롯 모드로 동작하는 본 논문의 시뮬레이션 환 경 아래에서, 채널 특성에 관계없이 방식 1이 방식 2보 다 더 좋은 성능을 보이는 것을 알 수 있다. 이에 대해 다양한 채널 환경에서 분석할 필요가 있다.
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 비 슬롯 모드에서 동작하는 기회적 스 펙트럼 접속 방식을 시뮬레이션을 통해 비교 분석하였 다. 추후 연구 내용으로는 제안한 방식을 수학적으로 분 석하고, 마코비안 채널 모형이 아닌 경우로 확장할 것이 다. 또한 제안한 방식이 최선의 성능을 낼 수 있는 파라 미터를 결정할 것이다.
감사의 글
이 논문은 2011년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기 초연구사업임(No. 2011-0014891)
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[11] Y. Lee, “Opportunistic Spectrum Access in Unslotted Primary Networks,” IEICE Transactions on Communications, vol. E93B, no. 11, pp.
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