[인지 기반 D2D 융합시스템 기술1] 인지기반 무선네트워크
[인지 기반 D2D 융합시스템 기술2] 위치기반 D2D 시스템

 
위치정보 기반 D2D 시스템

D2D 그룹은 무선 네트워크(이동통신 기지국)의 커버리지 내 디바이스 간에 무선링크를 통해 정보를 전송함으로써 형성된다. 

D2D 그룹을 형성하기 위해서는 단말기 스스로 상대를 탐지하는 방법과 네트워크의 사용자 단말기의 이동정보를 기반으로 그룹을 구성할 수도 있다. 

D2D 그룹의 생성구조를 그림 2에 나타낸다.

그림 2. D2D 그룹의 생성구조

D2D 그룹을 활성화시키기 위한 구체적인 동작절차는 다음과 같다.

•‌D2D 그룹 운영자(관리자)는 각 사용자 단말기들 간의 상대적인 위치를 확인하고 상호간의 위치정보를 파악한다.
•‌D2D 그룹에 속하는 단말기가 동일한 기지국의 섹터 내 또는 상호간 거리(d)가 10m 이내의 유효한 거리로 접근하였다고 판단될 때 D2D 활성화 메시지를 전송한다.
•‌D2D 활성화 메시지를 수신한 단말기는 동일한 그룹에 속한 단말기를 탐색하고 D2D 활성화 상태로 변경한다.
•‌전송하고자 하는 정보가 있을 경우 D2D 송수신에 적합한 변조/코딩/수신처리 방법 등의 메타데이터를 상호 교환하고 채널에 적합한 방법을 선택하여 정보전송을 개시한다.
•‌정보전송이 종료되면 상호 간의 위치를 확인하여 허용 가능한 범위(d〉10m) 내에 있지 않을 경우 D2D 그룹에서 제외시킬 것을 D2D 그룹 운영자에 요청한다.  
이때 D2D 그룹 운영자는 D2D 그룹에서 해당 단말기를 D2D 활성화 그룹 리스트에서 삭제한다.
•‌D2D 그룹의 새로운 단말기가 위치정보를 등록하면 활성화시킬 수 있는 조건을 판단하여 위치정보를 파악 단계로 진행한다.

D2D 그룹 내 디바이스 간의 무선링크에서는 고속/저전력/저간섭 신호발생을 위해 필수적으로 다중 안테나를 사용해야 한다. 

송신안테나 수가 MT이고 수신안테나 수가 MR개인 경우 최대 MT×MR개의 독립된 페이딩(fading) 채널을 결합시킬 수 있으므로 이 때 얻을 수 있는 최대 다양성 이득은 MT×MR[dB]가 된다. 

보다 개선된 성능을 얻기 위해서는 전술한바 있는 OSTBC 및 STTC 코딩기술을 적용한 시스템을 고려할 수 있다[4].
MIMO(Multi-Input Multi-Output) 기법을 이용한 어레이 안테나(array antenna) 구성방법은 수신 단으로부터 송신 단으로 피드백 되는 정보를 이용하는 폐루프(closed loop) 방식으로 송신안테나 수만큼 다양성 이득을 얻을 수 있다. 

동시에 송신안테나의 수를 하나씩 증가시킬 때마다 평균 신호 대 잡음비(SNR: Signal-to-Noise Ratio)가 3[dB] 증가하여 어레이 이득을 추가로 얻을 수 있어 우수한 성능을 구형할 수 있다.

 D2D 융합 시스템의 성능 이슈

D2D 시스템에서 사용자 링크 품질을 향상시키기 위해서는 다중 안테나 기술과 채널 부호화(channel coding) 기술이 결합된 시공간 부호화 기술을 도입하여 주파수 효율향상과 품질을 개선할 수 있다. 

아울러 이를 통해 추가 대역폭 할당이 없이도 수신 단에서 공간 다양성(spatial diversity) 이득을 얻을 수 있다.
 이처럼 채널 용량을 크게 개선시킬 수 있는 방법으로 OSTBC(Orthogonal Space Time Block Code)와 STTC(Space Time Trellis Code)를 적용한 시스템을 고려할 수 있다[5]. 

이들 기능을 간단히 요약하면 다음과 같다.

•‌OSTBC는 시공간 코드(space-time code)들 간에 직교성이 유지되므로 수신모듈을 구현하는 데 수신처리와 디코딩(decoding) 측면에서 복잡도를 줄일 수 있으며, 최대의 다양성 이득을 얻을 수 있는 특징이 있다.
•‌STTC는 복잡도는 다소 높으나 성능 측면에서의 이득을 얻고자 할 때 적합한 구조이다. D2D그룹에서 각 디바이스의 처리능력에 따라 적합한 수신처리 방법을 선택할 수 있는 특징이 있다.

이러한 시공간 코드를 고려하여 설계된 D2D 시스템의 성능은 융합 인지 네트워크 환경에서 사용자 위치 기반의 여러 기술적인 문제들을 해결하기 위한 구조로 이용되고 있다.

 
결언

이 연구에서는 1991년 Mitola에 의해 처음으로 개념이 정립되기 시작한 인지 기반 융합 무선기술의 개념, 인지 기반 융합 무선기술을 위한 IEEE 802.22와 ECMA-International의 표준화동향, D2D 그룹 커버리지 내 디바이스 간 위치정보 기반의 D2D 융합 시스템과 성능 이슈에 대해 살펴보았다.

인지 기반 융합 무선 기술들이 결합됨으로써 새로운 보안문제 등을 야기할 수도 있다. 이를 해결하기 위해서는 인지 무선 네트워크 적응형 보안 프레임워크를 개발하여 디바이스(사용자) 위치정보에 기반한 프라이버시 및 다양한 보안기능을 제공할 수 있는 보안기법들을 개발할 필요가 있다.

또한 사용자의 이동성 정보는 개인 D2D 단말기가 수집할 경우 전력소모 증가 및 연결지연 등의 문제가 발생할 수 있어 사용자 이동성을 중첩 융합 네트워크에서 수집하고 관리하는 방안을 고려할 필요가 있다. 

이를 기반으로 D2D 사용자 단말기 간 신호전송 최적화를 통해 로컬 영역에서 타 사용자에 미치는 영향을 최소화할 수 있을 것이다.

D2D 융합 시스템은 사용자 단말기 간 거리가 멀어질수록 시스템 용량 감소로 인해 효율과 성능이 저하될 수 있다. 이에 D2D 그룹 내 적정한 사용자 수와 그룹의 영역을 최적화하여 성능개선과 아울러 용량을 극대화할 수 있는 방안이 필요하다.
이를 위해 단말기의 위치정보를 정밀하게 관리할 필요가 있으며, D2D 그룹에서의 벗어난 단말기를 신속하게 배제함으로써 간섭신호를 억제할 수 있는 제어기술이 필요하다.

[1] ‌인지 기반 융합 네트워크 환경에서 서비스 성능은 주변상황의 인지 기능을 실행하는 가상 셀의 기능에 달려있다. 따라서 네트워크 리소스의 효율적인 활용을 통해 이종 네트워크의 특성을 반영하는 시스템 최적화가 필요하다.

[2] ‌인지 기반 무선기술은 통신시스템의 많은 특성들을 인지 기능을 이용하여 향상시킬 수 있는 SDR보다는 더 넓은 개념의 기술이다.

[3] ‌FCC는 이 기술규정(법안)에서 인지 무선 기술을 위한 고정형과 개인휴대기기의 두 가지 형태의 기기를 정의하고 있다. 인지 무선 기기들은 위치정보를 수집하는 기능과 인가된 데이터베이스로부터 이용 가능한 채널검색 기능, 스펙트럼 센싱(Spectrum Sensing) 기능 등을 기본 요구사항으로 명시하고 있다. 고정형기기의 최대 송신출력은 4W EIRP이며, 개인휴대기기는 100W EIRP이다.

[4] ‌OSTBC와 STTC는 수신 단으로 부터 송신 단으로 피드백 되는 정보가 없는 개루프(open loop) 방식으로 송신안테나의 수가 늘어날 때 복호화 복잡도가 안테나 수와 전송속도에 비례하여 증가하는 문제점이 있으나, 다양성 이득인 MT×MR을 얻을 수 있다.

[5] ‌OSTBC 및 STTC 코딩기술은 융합 인지 네트워크에서 사용자의 위치를 기반으로 D2D 그룹 내에서의 이동특성을 적용한 분석모델의 성능을 평가하는 데 이용되는 기법이다.

참고문헌

[1] ‌Afif Osserian, Klaus Doppler, Cassio Ribeiro, Ming Xiao, Kikael Skoglund, Jawad Manssour, “Advnaces in Device-to-Device Communications and Network Coding for IMT-Advanced,” ICT-Mobile Summit 2009.
[2] ‌김정호, “인지기반 중첩 융합 네트워크에서 위치정보에 기반한 D2D 시스템의 성능분석”, 대한전자공학회논문지 제51권 제10호, 2014. 10.
[3] ‌최유미, 김정호, “인지 네트워킹 기반 중첩 융합 네트워크에서 이중 가상 셀 운영방안의 성능분석”, 한국통신학회논문지 제37권 제6호, 2012. 6.
[4] ‌김현성, “인지 무선 네트워크를 위한 회전자 기반 적응형 보안프레임워크 설계”, 대한전자공학회논문지 제50권 제5호, 2013. 5.
[5] ‌http://ocean.kisti.re.kr/downfile/volume/ieek/DHJJQ3/2013/v50n5/DHJJQ3_ 2013_v50n5_165.pdf
[6] ‌J. Mitola, “Cognitive Radio for Flexible Mobile Multimedia Communications,” Mobile Network and Applications, Vol.6, No.5, 2001.
[7] ‌http://ocean.kisti.re.kr/downfile/volume/ieek/DHJJQ3/2013/v50n5/DHJJQ3_2013_v50n5_165.pdf
[8] ‌이소영 외, “인지 무선 시스템을 위한 거리 기반 가중치가 적용된 협력스펙트럼 센싱”, 대한전자공학회논문지, Vol.47, No.7, 2010.
[9] ‌IEEE 802.22, “IEEE P802.22/D1.0 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”, 2008. 4.
[10]ECMA-International, "MAC and PHY for operation in TV white space, standard ECMA-392", 2009. 12.
[11] ‌J. Wang et al., "First Cognitive Radio Networking Standard for Personal/Portable Devices in TV White Spaces,” ECMA/TC48-TG1/2009/132, white paper, 2009.
[12] ‌V. Tarokh et al., “Space-time codes for high data rate wireless communication : Performance criteria in the presence of channel estimation error, mobility and multiple paths,” IEEE Trans. on Communication., vol.47, 1999. 2.
[13] ‌https://www.kics.or.kr/storage/paper/event/fall2013/publish/13B-68.pdf

박세환 박사 한국과학기술정보연구원 ReSEAT프로그램 전문연구위원

정리 : 김혜숙 기자 (atided@hellot.net)