To support various applications with high demand through wireless communications, most of the radio frequency spectrum is allocated exclusively, but out of which much is known to be underutilized. Recent measurements by the Federal Communications Commission (FCC) show that 70% of the allocated frequency spectrum in the U.S. is not utilized. Furthermore, the spectrum occupancy reveals temporal and spatial variations. In order for spectrum efficiency, the service of unlicensed secondary users (SUs) can be utilized opportunistically when the primary users (PUs) do not occupy the band.
The main constraint of the opportunistic SUs is that their operation should not impose interference to PUs. Hence, whenever a spectrum band is used by PUs, SUs have to vacate the band within a certain amount of time. To vacate the spectrum band in real-time, the cognitive radio (CR) network may spend much time on detection for PUs. Due to the fact that the SUs do not utilize the spectrum band during the detection, it can degrade the SUs' own throughput. Thus, spectrum sensing, the process of periodically and dynamically monitoring a given spectrum band, is not only a mandatory function in any CR-based wireless system, but also requires an efficient coordination.
Throughout the thesis, we propose an efficient sensing management scheme using the energy detector with adjustable sensing interval. While the false alarm probability causes SU's throughput degradation, the miss-detection probability yields interfering duration on PUs. With these probabilities related to sensing duration, the sensing interval (i.e., time between adjacent sensing durations) and the PU's arrival are analyzed. We can examine the sensing management scheme involved in a compromise between the SU's perspective and the PU's perspective. Consequently, we formulate throughput maximization and interfering duration minimization problems from SU's and PU's perspective respectively, and propose an analytic model to compromise between the two perspectives.
유비쿼터스 정보화 사회에서 한정된 무선 주파수 자원의 효율적인 사용을 위한 기술성의 중요성이 대두되고 있다. 이는 주파수 자원의 수요가 공급에 비하여 많기 때문인데 주파수 부족 현상이 발생하기 때문이다. 하지만 실제로 분배된 주파수의 이용효율을 측정해보면, 평균적으로 30% 이하로 나타나고 있다. 따라서 이용하지 않고 있는 주파수 자원을 효율적으로 이용할 수 있는 공유 기술을 개발하여 이를 이용하면 주파수 자원의 부족현상을 해결하는 데 크게 기여할 것이다. 이중에서도 주파수 환경을 측정하여 사용하지 않는 주파수를 선정, 기존의 전파환경과 양립하면서 통신을 하는 인지 무선 (cognitive radio, CR) 기술은 미래 무선통신의 핵심 기술로 인식되고 있다. 이러한 인지 무선 기술은 소프트웨어 무선 (software defined radio. SDR) 기술을 기반으로 주파수 센싱 (sensing) 기능을 활용하여 가용한 주파수를 선정하여 통신하는 기본적인 기능과 여러 가지 환경 파라미터(parameter)를 지속적으로 업데이트하는 기능이 합쳐진 기술이다.
소프트웨어 무선을 기반으로 하는 이러한 인지 무선 기술은 한정된 주파수 자원을 효율적으로 관리할 수 있다는 점에서 최근 각광을 받고 있다. 주파수 권한 (license)을 가지고 있지 않는 2차 사용자는 1차 사용자의 비어있는 대역을 탐색하는 기능이 필요하다. 이로써, 2차 사용자는 탐색된 빈 대역을 옮겨 다니며, 주파수를 사용하기 때문에 주파수 사용 권한을 가지고 있지 않아도, 1차 사용자에게 간섭 없이 전체 주파수 효율을 높일 수 있다. 1차 사용자에 의해 사용되지 않는 주파수 대역은 일정시간 빈 대역으로 남게 되는데, 인지 무선 기술에서는 센싱 기술을 통해 2차 사용자가 1차 사용자의 주파수 사용 권한을 보호할 수 있도록 주파수 사용 패턴을 지속적으로 확인한다. 센싱 기술 적용 방법에 따라서 1차 사용자뿐만 아니라, 2차 사용자에게도 동시에 영향을 주기 때문에 서로의 관계를 고려한 분석이 필요하다.
이러한 센싱 기술 적용을 위해 우리는 두 가지 상충되는 관점을 고려할 필요가 있다. 첫째로, 1차 사용자 입장에서는 센싱을 많이 하면 할수록, 또한 센싱의 능력이 좋으면 좋을수록 자신의 주파수 사용권한을 보장 받기 때문에 당연히 2차 사용자가 충분한 센싱을 하도록 권장한다. 반대로 2차 사용자 입장에서는 비록 기회적인 처리율(opportunistic throughput)이지만, 1차 사용자를 최대한 보장하는 범위 안에서 자신의 처리율을 최대화 하려고 할 것이다. 이는 프레임 (frame) 구조가 센싱과 데이터 (data) 전송으로 단순화 될 수 있다고 가정할 때, 센싱을 적게 하면 할수록 그리고 센상의 능력이 좋으면 좋을수록 2차 사용자의 처리율을 최대화 할 수 있다. 이러한 두 가지 관점은 센싱의 방법에 따라 서로 상충된다.
본 논문에서는 검출기 (detector)로서 가장 널리 알려진, 에너지 검출기 (energy detector)를 바탕으로 앞서 언급한 두 가지 관점을 만족시키는 센싱 인터벌 (interval)을 갖는 센싱 메커니즘 (mechanism)을 제안하고, 각 파라미터 간의 관계를 보고자 한다. 먼저, 1차 사용자의 관점인 간섭 최소화 문제와 2차 사용자의 관점인 처리율 최대화 문제를 각각 정의하고 두 가지의 문제에 가중치를 접목한 센싱 메커니즘을 제안한다. 여기서 1차 사용자와 2차 사용자의 관점을 동시에 모두 만족시키는 센싱 인터벌을 찾을 수 있고, 각 파라미터 간의 관계도 그래프를 통하여 알 수 있다. 또한, 1차 사용자와 2차 사용자에게 적용된 가중치에 변화를 주면서 각각에 맞는 가장 최적의 센싱 인터벌 값도 알 수 있다.
