Recently, numerous techniques in wireless environment have originated from the effort to increase the efficiency of scarce resources and one of techniques is Cognitive Radio (CR) technique which is especially based on practical approach. All frequency bands are not usually fully-utilized by users at a certain time, so CR technique temporally allows unlicensed users to utilize the unoccupied frequency bands at the condition of not interfering licensed users. The unoccupied frequency bands are called spectrum hole. Based on CR technique, standardization is also in progress which is Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 802.22 Wireless Regional Area Network (WRAN).
There are mainly two coexistence issues considered in the IEEE 802.22 WRAN standards. One is coexistence of incumbent users and unlicensed users and the other is called self-coexistence issue. In contrast with coexistence with incumbent, self-coexistence is caused by the overlapping among neighboring WRAN cells utilizing the same frequency bands. In this situation, WRAN cells can interfere with each other called inter-cell interference. To resolve the self-coexistence problem in the air interface, coexistence beacon protocol (CBP) is proposed for inter-base station (BS) communication, to avoid using the same channel in neighboring cells.
In the thesis, we focus on the optimal transmission rate of CBP in WRAN environment. We investigate the properties of CBP transmission and find the tradeoff between throughput of users served by WRAN cells and the execution delay for channel selection. To find the optimal CBP transmission rate, we can come up with the reasonable objective function which takes both the throughput and execution delay aspect into account. The objective function reflects the property of CBP validated by simulations and finds easily the optimal CBP transmission rate under various situations.
최근 무선 통신 연구 동향은 한정된 자원의 효율을 증대시키는 방향으로 발전하고 있는데 그 가운데서도 별다른 장치나 추가적인 알고리즘 없이 기존 주파수의 효율성을 높인 인지 무선(Cognitive Radio) 기술이 주목 받고 있다. IEEE에서는 인지 무선 기술의 필요성과 그 효과를 인식하여 표준화 작업(IEEE 802.22 WRAN)을 활발히 진행하였으며 지금은 마무리 단계에 와있다.
802.22 WRAN 표준에서는 특별히 다른 표준화 시스템과는 달리 표준화 단계에서 처음으로 자기공존(Self-coexistence)으로 발생되는 자기상관(Self-interference)의 문제를 무선 통신 환경에서 다루었다. 자기상관 문제는 실제 어떠한 무선 통신 시스템이라도 나타날 수 있는 문제지만 현재까지 대부분의 시스템에서는 backbone망을 통해 해결해 왔다. 자기상관 문제를 해결하기 위해 802.22 WRAN표준에서는 공존 표지 프로토콜(Coexistence Beacon Protocol: CBP)을 제안하였다. CBP는 겹쳐져 있는 WRAN망 간에 같은 주파수를 사용하지 않게 하기 위한 기지국간의 통신 수단으로 사용된다. 기지국은 CBP packet을 보내어 자신이 사용하고 있는 주파수와 후보 주파수 목록을 공시한다. 데이터의 증가로 더 많은 채널이 필요하거나 인지 무선 기술의 특성으로 인해 발생할 수 있는 Primary user(PU)의 등장으로 인해 채널 확보를 위한 절차에 들어가게 되면 각 단계별로 절차를 수행하기 위해 요구되는 CBP의 개수가 정해진다. 즉 CBP의 전송 빈도에 따라 채널을 확보하기 위한 시간 지연이 결정 되는 것이다. 또한 기본적으로 CBP는 프레임의 끝에 위치한 Self-Coexistence Window(SCW)를 통해 전송되거나 Superframe Header(SCH)의 형태로 전송된다. 즉 잦은 CBP전송은 데이터를 보낼 수 있는 주파수와 시간 자원의 소모를 야기하고 결과적으로 전체 시스템 효율을 감소시키는 결과를 초래한다. 이렇듯 CBP 전송에는 시간 지연과 시스템 효율간의 기회비용이 발생한다.
본 논문은 CBP 전송 시에 발생하는 시간 지연과 시스템 효율간의 tradeoff를 수학적으로 분석하고 두 측면을 모두 고려하여 최적화된 CBP 전송 빈도를 결정하는 목적 함수(Objective function)를 제안한다. 목적 함수는 convex한 특징을 나타내기 때문에 쉽게 최적의 CBP 전송 빈도를 구할 수 있는 장점이 있다. 각 상황에서 채널 확보를 위한 절차에 의해 발생되는 시간 지연을 최소화하고 전체 시스템의 효율을 증대하는 목적으로 두 관점을 절충하여 적절한 CBP 전송 빈도를 도출하였다. 이러한 목적 함수를 구성하고 있는 요인들 중 CBP 전송 빈도에 직접적인 영향을 주는 요인이 무엇인지 밝히고 그 효과 또한 규명하였다. 가장 큰 영향을 주는 요인으로는 채널 선택 절차를 수행할 확률로 전송 데이터의 증대 및 PU의 진입으로 인해 결정되는 값이다. 또한 첫 번째 채널 선택 절차 단계인 Spectrum etiquette(SE)의 실패 확률도 최적 CBP 전송 빈도를 결정하는데 어느 정도 영향을 주는 것으로 나타났다. 다양한 환경에서 시뮬레이션 결과를 도출해 낸 결과, 제안한 목적함수가 CBP 전송의 특성을 잘 반영하고 있음을 확인하였다.
이러한 CBP에 전송 빈도에 대한 연구는 사실 전무한 상태이고 표준화에서도 규정짓고 있지 않고 있다. 처음으로 자기간섭에 대한 표준이 진행되고 있고, 그러한 자기간섭을 바탕으로 제안된 CBP에 전송빈도에 대해 처음으로 분석한 논문으로서 의의가 있다.
