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여진 원
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1 논문 한국통신학회논문지 '10-02 Vol. 35 No. 2 인지라디오기반 OFDM 시스템을위한부분대역모드 검출기법의성능분석 준회원이지혜 *, 왕진수 * 종신회원김윤희 *, 윤석호 **, 송익호 *** Performance Analysis of Fractional Bandwidth Mode Detection for a Cognitive Radio Based OFDM System Ji-Hye Lee*, Jin-Soo Wang* Associate Members, Yun-Hee Kim*, Seokho Yoon**, Iickho Song*** Lifelong Members 요 약 협대역사용자와주파수를공유하는직교주파수분할 (orthogonal frequency division multiplexing: OFDM) 기반인지라디오시스템에서기존사용자에게미치는간섭을최소화하도록부분대역모드가제안된바있다. 부분대역모드는직교주파수분할다중화신호전체대역을여러부대역으로나눈뒤스펙트럼센싱결과에따라특정부대역만이용할수있도록한것이다. 이논문에서는부분대역모드정보를프리앰블로전송할때검출오류확률을이론적으로분석하고그성능을무선지역망환경에서살펴본다. 그결과이론적으로얻은검출오류확률이모의실험결과와잘들어맞고, 신호대잡음비가낮을때검출오류확률이 이하임을볼수있었다. Key Words : Detection probability, OFDM, Fractional bandwidth mode, Cognitive radio, WRAN ABSTRACT For orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems sharing the spectrum with narrow band primary devices, a fractional bandwidth (FBW) mode has been proposed recently to reduce the interference to the primary users. The FBW mode divides the total OFDM bandwidth into subbands and activates (or deactivates) a subset of the subbands according to the result of spectrum sensing. In this paper, we analyze the detection error probability of FBW mode information which is delivered by the sequence embedded in the preamble and evaluate the performance in wireless regional area network environments. The results show that the detection probability derived analytically estimates the actual value from simulation adequately and that a low detection error probability less than is obtained at a low signal-to-noise power ratio. Ⅰ. 서론 무선통신에알맞은주파수대역이점점부족해 지면서기회주의적으로주파수를이용하여주파수효율을높이는인지라디오기술에대한관심이높아지고있다 [1]-[3]. 특히미국연방통신위원회가인가 이연구는지식경제부및정보통신연구진흥원의 IT 핵심기술개발사업 [2008-F , 게임이론을응용한 Cross-layer 무선설계기술연구와정부 ( 교육과학기술부 ) 재원으로한국연구재단지원을 (No ) 받아수행된연구임. * 경희대학교전자전파공학과 (yoyo278@khu.ac.kr, delta310@khu.ac.kr, yheekim@khu.ac.kr) ** 성균관대학교정보통신공학부 (syoon@skku.edu) *** 한국과학기술원전기및전자공학과 (i.song@ieee.org) 논문번호 : KICS , 접수일자 :2009 년 8 월 13 일, 최종논문접수일자 : 2010 년 2 월 11 일 238

2 논문 / 인지라디오기반 OFDM 시스템을위한부분대역모드검출기법의성능분석 주파수대역을기존사용자에게 (primary user) 간섭을주지않는조건하에 2차사용자에게 (secondary user) 개방하는정책을고려함에따라이론적인연구뿐만아니라상용시스템개발을위한연구가빠르게진행되고있다. 대표적으로 IEEE 에서는인지라디오기술을도입한첫무선시스템으로지상파방송대역에서광대역무선패킷서비스를제공하는무선지역망 (wireless regional area network: WRAN) 표준을제정하고있다 [4],[5]. 무선지역망시스템을비롯한여러인지라디오기술이무선전송방식으로직교주파수분할다중화를 (orthogonal frequency division multiplexing) 채택하고있다 [5]-[7]. 이는직교주파수분할다중화가고속데이터전송에유리하고, 주변의주파수이용환경에따라송신신호의전력주파수밀도를바꾸기쉬우며, 기존의많은직교주파수분할다중화기반무선통신시스템으로확장적용할수있기때문이다. 이러한직교주파수분할다중화기반인지라디오기술로써최근에기존사용자가인지라디오보다대역폭이훨씬작은협대역시스템일때적용가능한부분대역모드가제안되었다 [7]. 부분대역모드는인지라디오시스템대역을여러부대역으로나누고, 기존사용자의간섭존재여부및위치에따라사용하는부대역을적응적으로바꾸는방법이다. 기존연구에서는단말이초기시간및주파수동기과정에서부분대역모드를함께검출하는방법을제안하고, 모의실험으로동기및검출성능을제공하였다. 이논문에서는데이터전송프레임사이에주기적으로스페트럼센싱을수행하고그결과에따라부분대역모드를바꿀때부분대역모드검출성능을이론적분석한다. 이논문 II장에서는부분대역모드를적용한시스템모형을설명하고, III장에서부분대역모드정보를검출하는방법을설명한다. 그다음, IV장에서는검출오류확률에대한성능상한을유도하고, V장에서무선지역망시스템환경에서이론적성능과모의실험결과를비교한다음, 마지막으로 VI장에서결론을맺는다. Ⅱ. 시스템모형제안된인지라디오시스템은그림 1과같이전 0 1 전체대역폭 N u B t -1 (a) B s =0, =B t 2... (b) B s =0, =3 B t -1 그림 1. 부분대역모드보기 (a) 전체대역을활성화하는부분대역모드 (b) 일부부대역을활성화한부분대역모드 체주파수대역을 부대역으로나눈다. 따라서, 전체주파수대역이 부반송파로구성되면한부대역은 부반송파로구성된다. 인지라디오는협대역신호특성을지닌기존사용자가동일또는인접채널에존재하는지센싱하고, 만약존재하면기존사용자에게미치는간섭을줄이도록데이터를일부부대역에만 ( 활성부대역 ) 전송하고, 다른부대역은 ( 비활성부대역 ) 전송하지않는다. 따라서한부분대역모드는활성부대역색인들의집합으로정의되고, 부대역을모두사용하지않는 때를빼면총 의부분대역모드가존재한다. 이논문에서는인접채널의기존사용자만을대처하도록주파수에서연속적인활성부대역만을허용한다. 즉, 부분대역모드 는활성부대역의시작점 ( ) 와활성부대역수 ( ) 로정의되고, 지원하는총부분대역모드수는 이다. 이러한시스템의보기로 UHF/VHF 대역에서 6MHz 대역폭을사용하는무선지역망을고려할수있다. 이대역의기존사용자로써무선마이크로폰이있는데, 무선마이크로폰이차지하는대역폭은 200 khz로무선지역망대역폭보다훨씬작다. 이러한무선마이크로폰을대처하기위해제안하는시스템은 6MHz의무선지역망대역폭을 1 MHz씩 6 부대역으로나누어부분대역모드를구성할수있다. 그림 2는부분대역모드를지원하는직교주파수분할다중화송수신기모형과시스템프레임구조를나타낸다. 송신기기지국은그림 2(b) 에서보인바와같이주기적으로할당되는센싱시간구간에서스펙트럼을센싱하고그결과에따라지원할부 f f 239

3 한국통신학회논문지 '10-02 Vol. 35 No. 2 송신전력을같게하는상수,, 은부분대역모드 의활성부대역에있는홀수부반송파색인들의집합, 는 의원소를오름차순으로정렬할때색인 의순서를가리킨다. 보기를들면 (2) 그림 2 부분대역모드지원시스템모형 : (a) 직교주파수분할다중화송수신기모형 (b) 프레임구조. 분대역모드를선택한다. 기지국은선택된부분대역 모드정보에따라다른프리앰블을생성하고, 프리 앰블과데이터를프레임구조와부분대역모드에맞게전송한다. 곧, 선택된부분대역모드의활성부대역에만프리앰블심볼과데이터심볼을대응하고비활성부대역은영 (null) 심볼을대응한다. 이렇게주파수영역으로대응된심볼들은역고속푸리에변환과 (IFFT) 보호구간삽입등직교주파수분할다중화신호생성과정을거친뒤전송된다. 한편, 수신기에서는센싱시간구간이후의프레임시작프리앰블로부분대역모드정보를검출하여해당활성부대역으로수신된데이터심볼을복조한다. Ⅲ. 부분대역모드검출 3.1 프리앰블구조부분대역모드를검출하기위해 [7] 에서제안한프리앰블은부분대역모드 마다다른수열을생성하고활성부대역에만대응하여생성된다. 곧, 부분대역모드 의활성부대역수가 이면길이가 인이진수열 을만들고, 수열을 BPSK 변조한뒤활성부대역의홀수부반송파로대응시킨다. 그러면, 부분대역모드가 일때프리앰블의 째부반송파로전송되는심볼은다음과같다. (1) 여기서, 은부분대역모드에상관없이 이고, 이다. 프리앰블심볼 (1) 을역고속푸리에변환하여시간영 역표본으로변환하면, 와같이시간영역에서두번반복하는프리앰블구조를갖는다. 이러한반복구조는 [8] 에서보인바와같이초기시간동기와주파수동기를가능하게한다. 또한초기동기이후데이터전송시간구간동안계속남은시간오류와주파수옵셋을추정하여보상할수있도록한다. 3.2 부분대역모드정보검출수신기는센싱시간구간다음에오는첫프리앰블로부분대역모드정보를검출한다. 이때, 시간및주파수동기가어느정도이루어진상태이기때문에, 시간및주파수동기가완벽하다고가정하면주파수영역에서의프리앰블수신모형은다음과같이쓸수있다. (3) 여기서, 는평균수신심볼에너지, 는경로수가 이고 표본 지연에서감쇄진폭이 인다중경로채널의 번째부반송파에서의채널주파수응답, 는 이면 1 이고아니면 0인지시자함수, 는 인덧셈꼴흰빛정규잡음, 그리고 는전체대역에서의홀수부반송파색인들의집합이다. 곧, 활성부대역에서의홀수부반송파수신심볼에는프리앰블수열정보가있고, 짝수부반송파수신심볼에는잡음만이존재한다. 이논문에서는기존사용자가인접채널에존재하기때문에기존사용자에의한간섭은고려하지않았다. 부분대역모드를검출하기위한메트릭은정수배주파수옵셋추정 [9] 및셀탐색 [10] 방식과비슷하게 240

4 논문 / 인지라디오기반 OFDM 시스템을위한부분대역모드검출기법의성능분석 인접홀수부반송파에서의수신심볼에대한차등값을각부분대역모드수열의차등값과교차상관한함수를이용한다. 곧수신단은부분대역모드 마다해당활성부대역에서의상관함수를다음과같이구한다. (7) (4) 여기서, 이고 는집합 에서제일큰값을뺀집합이다. 덧셈꼴잡음을무시하면 활성부대역에서의 는 이 므로송신부분대역모드 와수신단의부분대역모드 가같고채널주파수응답의변화가적으면식 (4) 의상관값이커지게된다. 따라서, 수신단은메트릭 (4) 의세기가가장큰부분대역모드로다음과같이결정한다. (5) Ⅳ. 부분대역모드정보검출오류확률 이장에서는수신단에서부분대역모드정보검출시의검출오류확률을유도한다. 송신단이부분대역모드 를전송했을때수신단이다른부분대역모드로결정할검출오류확률 는결합한계에 (union bound) 의해다음과같이상한을갖는다. (6) 따라서, 송신부분대역모드가 일때올바른가설의 ( ) 상관메트릭 와잘못된가설의 ( ) 상관메트릭 의통계학적특성을유도하면검출오류확률의한계를얻을수있다. 이를위하여검출메트릭 (4) 를다시쓰면 으로, 여기서 이다. 다음절에서는 인덧셈꼴흰빛정규잡음환경에서검출오류확률의한계를유도하고그결과를감쇄채널에서의성능도출에이용한다. 4.1 덧셈꼴흰빛정규잡음채널에서검출오류확률덧셈꼴흰빛정규잡음환경에서상관메트릭 를다시쓰면다음과같다. (8) 여기서, 는실수부분을나타낸다. 이때, 식 (8) 은여러확률변수의합이므로중심극한정리를적용하면실수부분 와허수부분 가독립인복소정규확률변수로둘수있다. 이때실수부분과허수부분의평균은 와 이고, 분산은 와 (9) (10) (11) 으로, 여기서 는집합 의원소수이다. 이렇게평균과분산이다른두정규확률변수를제곱하여더한 는자유도가 2인비중심 확률변수로적률발생함수는다음과같다 [11]. (12) 241

5 한국통신학회논문지 '10-02 Vol. 35 No. 2 한편, 일때의상관메트릭 의평균은 0이고실수부분과허수부분의분산은 (13) 이다. 따라서, 평균이영이고분산이같은두정규 확률변수의제곱의합 는 자유도가 2 인중심 다음과같다 [11]. 확률변수로확률밀도함수는 (14) 이렇게얻은두다른조건에서의상관메트릭의 확률분포로검출오류가일어날한사건에대한확률은다음과얻을수있다. (15) 여기서, 는식 (12) 에서알수 있듯이 와 의평균과분산에의존한다. 곧, 검출오류확률을결정하는변수가명시되도록 (16) 으로다시정의하면, 부분대역모드정보에대한검 출오류확률은다음과같이쓸수있다. 4.2 감쇄채널에서의검출오류확률 (17) 다중경로감쇄채널에서는정확한상한을얻기 어렵기때문에수치적방식을적용한다. 채널주파수 응답 ℵ 이고정일때의검출오류확률은 ℵ ℵ ℵ ℵ ℵ (18) 이다. 여기서, ℵ 와 ℵ 는 ℵ 조건에서 확률변수 의평균과분산이며, (18) 에사용된조 건평균과조건분산은 으로두면 다음과같이얻을수있다. 표 1. 무선지역망채널모형다중경로프로파일 채널 ℵ ℵ (19) ℵ ℵ, (20) ℵ 프로파일 A 프로파일 B 프로파일 C 지연시간 ℵ, (21) ℵ ℵ 식 (19)-(22) 에서 ℵ ℵ 상대전력 이다. 지연시간 (22) 상대전력 지연시간 그리고 따라서, 채널주파수응답 ℵ 에대한확률표본값 을발생시키고 (19)-(22) 에서 (18) 을얻고, 충분히 많은채널주파수응답에대한표본값으로 (18) 의평 균을얻으면감쇄채널에서의검출오류율을모의실험보다빠르게얻을수있다. Ⅴ. 성능도출결과 이절에서는이론적으로유도한부분대역모드검출오류확률을모의실험결과와견주어본다. 모의실험에이용한시스템매개변수는표 1에보인무선지역망시스템매개변수를사용하였다 [5] FFT 를쓰는 6 MHz TV 대역폭을 1 MHz 단위로총 6 부대역으로나누어총 V=21 부분대역모드를지원한다. 감쇄채널모형은무선지역망채널모형 A, B, 상대전력 경로 1 0 s 0 db -3 s -6 db -2 s -9 db 경로 2 3 s -7 db 0 s 0 db 0 s 0 db 경로 3 8 s -15 db 2 s -7 db 5 s -19 db 경로 4 11 s -22 db 4 s -22 db 16 s -14 db 경로 5 13 s -24 db 7 s -16 db 24 s -24 db 경로 6 21 s -19 db 11 s -20 db 33 s -16 db 242

6 논문 / 인지라디오기반 OFDM 시스템을위한부분대역모드검출기법의성능분석 Detection Error Probability =6 =5 =4 =3 =2 =1 Anal Sim Es/No 그림 3. 덧셈꼴흰빛정규잡음채널에서부분대역모드검출성능 Detection Error Probability =6 =5 =4 =3 =2 =1 Anal Sim Es/No 추정할수있다. 다른한편으로덧셈꼴흰빛정규잡음채널에서는송신부분대역모드의활성부대역이 ( ) 많아질수록검출오류확률이커지는데, 그이유는검출메트릭에서바라는신호세기는활성부대역에상관없이일정한반면 ( 동일송신전력조건 ) 잡음세기가활성부대역에따라커지기때문이다. 한편, 감쇄채널에서는검출성능이감쇄에의해결정되기때문에검출오류확률이 에따라거의바뀌지않는다. 그림 5는표 1에보인서로다른다중경로프로파일을갖는무선지역망채널모형에대해검출오류확률을비교한것이다. 그림 5(a) 와 5(b) 는송신부분대역모드의활성부대역수가 =1일때와 =6일때를각각보인것이다. 먼저다중경로프로파일에따른이론적성능과모의실험결과가비슷한경향을보임을볼수있다. 세채널가운데 rms (root mean square) 지연확산이 2.0 인채널 B 가가장좋은성능을, rms 지연확산이 5.7 인채널 C가가장나쁜성능을보인다. 이는지연확산이클수록주파수선택성이크기때문에상관메 트릭의차등상관성분 의크기가작아져상관메트릭의최대값이줄어들기때문이다. 그러나, 세감쇄채널환경모두에서 보다작은검출오류확률을 0 db 이하의신호대잡음비에서얻음을알수있다. 그림 4. 무선지역망감쇄 A 채널에서부분대역모드검출성능 C를사용하였다 [12]. 그림 3과 4는덧셈꼴흰빛정규잡음채널과무선지역망감쇄채널 A 모형에서검출오류확률 을각각보인것이다. 그림에서 는송신부분대역모드 의활성부대역수로 1에서 6까지가능한값을모두보였다. 또한, `Anal' 은이론적으로얻은성능상한, `Sim' 은모의실험으로얻는결과이다. 그림 3에서볼수있듯이덧셈꼴흰빛정규잡음채널에서는이론적성능상한이모의실험으로얻은결과를약 0.3 db의신호대잡음비차이로성능을잘예측함을볼수있다. 감쇄채널에서는성능차이가커지나검출오류확률이 보다작아지면그차이가 1.5 db 이하로줄어든다. 따라서, 논문에서유도한성능상한을쓰면모의실험시간이비교적긴낮은검출오류확률에서의성능을빠르게 그림 5. WRAN 채널모형에따른부분대역모드검출성능 Ⅵ. 결론이논문에서는인지라디오기반직교주파수분할다중화시스템에서협대역기존사용자에미치 243

한국통신학회논문지 '10-02 Vol. 35 No. 2 는간섭을줄이기위해부분대역모드를적용할때부분대역모드정보를프리앰블로검출하는방법과그성능을살펴보았다. 수신심볼의차등상관으로부분대역모드정보를갖는프리앰블수열을검출할때검출오류확률을결합한계로유도하고무선지역망시스템환경에서모의실험결과와비교하였다.

7 한국통신학회논문지 '10-02 Vol. 35 No. 2 는간섭을줄이기위해부분대역모드를적용할때부분대역모드정보를프리앰블로검출하는방법과그성능을살펴보았다. 수신심볼의차등상관으로부분대역모드정보를갖는프리앰블수열을검출할때검출오류확률을결합한계로유도하고무선지역망시스템환경에서모의실험결과와비교하였다. 그결과유도한성능상한이모의실험결과를잘예측함을관측하였으므로, 성능상한을이용하면다양한시스템환경에서긴시간의모의실험없이검출성능을빠르게얻을수있으리라기대된다. 향후연구로는협대역기존사용자가동일채널에존재할때부분대역모드의성능을분석함으로써부분대역모드가동작가능한간섭환경을도출하고자한다. 참고문헌 [1] J. Mitola III, Cognitive Radio: An Integrated Agent Architecture for Software Defined Radio, Ph. D dissertation, Royal Institute of Technology (KTH), May [2] S. Haykin, Cognitive radio: brain-empowered wireless communications, IEEE J. Select. Areas Commun., Vol. 23, No. 2, pp , Feb [3] Y. Xing, R. Chandramouli, S. Mangold, and S. Shankar N, Dynamic spectrum access in open spectrum wireless networks, IEEE J. Select. Areas Commun., Vol. 24, No. 3, pp , Mar [4] IEEE Working Group on Wireless Regional Area Networks ( [5] IEEE P802.22/D0.3.7, Draft Standard for Wireless Regional Area Networks-Part 22: Cognitive Wireless RAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: Policies and Procedures for Operation in the TV bands, July [6] A. Seyedi, WLC32-2: Windowed OFDM for spectrum agile radios, Proc. Global Telecomm. Conf., pp. 1-5, San Francisco, CA, USA, Nov [7] 원재연, 김윤희, 황성현, 엄중선, 부분대역모드를지원하는 OFDM 기반인지라디오시스템에 서모드검출및동기기법, 한국통신학회논문지, 32권, 11호, 쪽, 2007년 11월. [8] T.M. Schmidl and D.C. Cox, Robust frequency and timing synchronization for OFDM, IEEE Trans. Commun., Vol. 45, No. 12, pp , Dec [9] Y.H. Kim, I. Song, S. Yoon, and S.R. Park, An efficient frequency offset estimation for OFDM systems and its performance characteristics, IEEE Trans. Veh. Technol., Vol. 50, No. 5, pp , Sep [10] D.S. Kwon, H.S. Lim, and H.K. Park, Preamble structure for single frequency cellular system using orthogonal frequency division multiplexing, IEEE Trans. Consumer Electron., Vol. 50, No. 1, pp , Feb [11] V.K. Rohatgi, An Introduction to Probability Theory and Mathematical Statistics, John Wiley & Sons, [12] IEEE /0055r7, WRAN Channel Modeling, Aug 이지혜 (Ji Hye Lee) 준회원 2009년 2월경희대학교전자정보학부공학사 2009년 3월~현재경희대학교전자전파공학과석사과정 < 관심분야 > OFDM, 인지라디오왕진수 (Jin Soo Wang) 준회원 2009년 2월경희대학교전자정보학부공학사 2009년 3월~현재경희대학교전자전파공학과석사과정 < 관심분야 > MIMO-OFDM, 부호화협력, 이동통신 244

논문 / 인지라디오기반 OFDM 시스템을위한부분대역모드검출기법의성능분석 김윤희 (Yun Hee Kim) 종신회원 1995년 2월한국과학기술원전기및전자공학과공학사 1997년 2월한국과학기술원전기및전자공학과공학석사 2000년 1월~2000년 4월 UCSD 방문연구원 2000년 8월한국과학기술원전자전산학과박사 2000년 9월~2004년

8 논문 / 인지라디오기반 OFDM 시스템을위한부분대역모드검출기법의성능분석 김윤희 (Yun Hee Kim) 종신회원 1995년 2월한국과학기술원전기및전자공학과공학사 1997년 2월한국과학기술원전기및전자공학과공학석사 2000년 1월~2000년 4월 UCSD 방문연구원 2000년 8월한국과학기술원전자전산학과박사 2000년 9월~2004년 8월한국전자통신연구원선임연구원 2004년 9월~현재경희대학교전자정보학부조교수, 부교수 2006년 1월~현재 IEEE 준석학회원, 한국통신학회논문지편집위원 < 관심분야 > 이동 / 무선통신, 통신이론, 통계학적신호처리, 부호이론 송익호 (Iickho Song) 종신회원 1982년 2월, 1984년 2월서울대학교전자공학과공학사 ( 준최우등 ), 공학석사 1985년 8월, 1987년 5월펜실베니아대학교전기공학과공학석사 / 박사 1987년 3월~1988년 2월벨통신연구소연구원 1988년 3월~현재한국과학기술원전기및전자공학과조교수, 부교수, 교수 1995년 1월~현재한국통신학회논문지편집위원대한전자공학회, 한국음향학회, 한국통신학회평생회원, IEEE 석학회원, IEICE회원, IET 석학회원 < 관심분야 > 통계학적신호처리와통신이론, 신호검파와추정, 이동통신 윤석호 (Seokho Yoon) 종신회원 1997년 2월한국과학기술원전자전산학과공학사 ( 최우등 ) 1999년 2월한국과학기술원전자전산학과공학석사 2002년 2월한국과학기술원전자전산학과공학박사 2002년 4월~2002년 6월 MIT 박사후연구원 2002년 7월~2003년 2월하버드대학교박사후연구원 2003년 3월~현재성균관대학교정보통신공학부전임강사, 조교수, 부교수 2000년 2월삼성휴먼테크논문대상동상수상 2007년 Marquis Who's Who in Asia에등재 2007년 IEEE 준석학회원 2008년 Marquis Who's Who in World에등재 2009년한국통신학회 LG 학술상수상 < 관심분야 > 통신이론, 이동통신, 통계학적신호처리 245

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¼º¿øÁø Ãâ·Â-1 Bandwidth Efficiency Analysis for Cooperative Transmission Methods of Downlink Signals using Distributed Antennas In this paper, the performance of cooperative transmission methods for downlink transmission