KR102340343B1 - 시공간 선 부호기반 아날로그 함수 연산 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 송신단만 채널 정보를 알고 있는 통신 환경에서 시공간 선 부호(STLC, Space-Time Line Codes)를 기반으로 채널의 중첩특성을 이용하는 아날로그 함수 연산(AFC)을 수행함으로써 다수의 센서와 적어도 두 개의 수신 안테나를 갖는 퓨전센터 간에 중첩되어 수신되는 신호를 선형 결합하여 채널에 의한 신호의 왜곡을 보상하는 시공간 선 부호기반 아날로그 함수 연산 방법 및 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 시공간 선 부호기반 아날로그 함수 연산 방법은 센서장치에서 측정된 데이터에 전처리 함수를 수행하는 단계(S10)와, 상기 센서장치에서 전처리 함수가 적용된 데이터에 센서장치의 채널 상태 정보를 결합하여 시공간 선 부호화(STLC)하는 단계(S30) 및 상기 센서장치가 시공간 선 부호화한 데이터를 동일한 무선 자원을 통해 전송하는 단계(S40)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 퓨전센터가 복수의 센서장치로부터 중첩 전송된 신호를 수신하는 단계(S50)와, 상기 퓨전센터에서 수신된 신호에 선형 결합(Linear combination)을 수행하는 단계(S60) 및 선형결합이 수행된 데이터에 네트워크에서 목적으로 하는 결과연산을 수행하기 위해 상기 퓨전센터가 상기 전처리 함수에 대응되는 후처리 함수를 수행하는 단계(S70)를 포함할 수 있다.

Description

시공간 선 부호기반 아날로그 함수 연산 방법 및 시스템{Analog function computation method and system using space-time line codes}
본 발명은 시공간 선 부호기반 아날로그 함수 연산 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 송신단만 채널 정보를 알고 있는 통신 환경에서 시공간 선 부호(STLC, Space-Time Line Codes)를 기반으로 채널의 중첩특성을 이용하는 아날로그 함수 연산(AFC)을 수행함으로써 다수의 센서와 적어도 두 개의 수신 안테나를 갖는 퓨전센터 간에 중첩되어 수신되는 신호를 선형 결합하여 채널에 의한 신호의 왜곡을 보상하는 시공간 선 부호기반 아날로그 함수 연산 방법 및 시스템에 관한 것이다.
최근 무선 통신 환경에서 빠른 전송 속도 및 높은 신뢰도를 요구하는 통신 서비스에 대한 필요가 점차 늘어가고 있다. 이에 따라, 이러한 통신 서비스에 대한 요구를 만족시키기 위한 통신 기술이 연구 중에 있고, 그 중 하나가 다중 안테나 송수신 방식(Multi-Input Multi-Output: MIMO)이다.
다중 안테나 송수신 방식은 기존의 주파수 및 시간 자원에 공간이라는 자원을 추가함으로써 빠른 전송 속도 및 높은 신뢰도의 통신 서비스를 가능케 하는 기술이다. 이러한 다중 안테나 송수신 방식은 크게 공간 다중화 기법과 공간 다이버시티 기법으로 나뉜다.
공간 다중화 기법은 송수신 간에 여러 안테나를 사용함으로써 서로 다른 데이터를 동시에 전송하여 시스템 대역폭을 증가시키지 않고 보다 고속으로 데이터를 전송할 수 있는 방법이다. 이에 비해 공간 다이버시티 기법은 서로 다른 송신 안테나에 같은 정보를 내포하고 있는 데이터를 전송함으로써 높은 신뢰도를 얻을 수 있는 방법이다.
대한민국 등록특허 제10-1975416호(2019년 05월 07일 공고)
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 단점을 해결한 것으로서, 무선 통신 환경에서 채널 피드백을 위한 오버헤드 및 전송 지연을 감소시키고자 하는데 그 목적이 있다. 또한, 무선 센서 네트워크에서 주파수 효율성과 네트워크 지연 성능을 향상하여 더욱 많은 센서를 수용할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 시공간 선 부호기반 아날로그 함수 연산 방법은 센서장치에서 측정된 데이터에 전처리 함수를 수행하는 단계(S10)와, 상기 센서장치에서 전처리 함수가 적용된 데이터에 센서장치의 채널 상태 정보를 결합하여 시공간 선 부호화(STLC)하는 단계(S30) 및 상기 센서장치가 시공간 선 부호화한 데이터를 동일한 무선 자원을 통해 전송하는 단계(S40)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 퓨전센터가 복수의 센서장치로부터 중첩 전송된 신호를 수신하는 단계(S50)와, 상기 퓨전센터에서 수신된 신호에 선형 결합(Linear combination)을 수행하는 단계(S60) 및 선형결합이 수행된 데이터에 네트워크에서 목적으로 하는 결과연산을 수행하기 위해 상기 퓨전센터가 상기 전처리 함수에 대응되는 후처리 함수를 수행하는 단계(S70)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 퓨전센터의 수신 안테나가 두 개보다 많은 경우에 상기 시공간 선 부호화(STLC)하는 단계(S30) 이전에 수신 안테나 쌍(Pair)을 선택하는 단계(S20)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 수신 안테나 쌍(Pair)을 선택하는 단계(S20)는 상기 퓨전센터의 수신 안테나 두 개씩을 한 쌍으로 정의하여 안테나 쌍(antenna pair)을 설정하는 단계(S21)와, 설정된 각 안테나 쌍과 센서장치 사이의 무선 채널 이득 합의 최소값을 산출하는 단계(S22) 및 상기 산출된 무선 채널 이득 합의 최소값 중에서 그 값이 최대가 되는 수신 안테나 쌍을 선택하는 단계(S23)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 시공간 선 부호기반 아날로그 함수 연산 시스템은 각각 단일 안테나를 구비하는 복수의 센서장치와, 적어도 두 개의 수신 안테나를 구비하는 퓨전센터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 센서장치는 센서를 이용하여 측정된 데이터를 목적함수에 따라 전처리 함수를 수행하는 전처리부와, 상기 전처리 함수가 적용된 데이터를 채널 상태 정보와 결합하여 두 개의 STLC(Space-Time Line Codes) 신호로 부호화한 후 두 시간 슬롯에 걸쳐 부호화된 상기 두 개의 STLC 신호를 동일한 주파수로 퓨전센터에 전송하는 STLC부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 퓨전센터는 각각 대응되는 수신 안테나를 통해 각 센서장치로부터 전송되는 신호를 수신하는 제1 수신부 및 제2 수신부와, 상기 제1 수신부와 제2 수신부를 통해 중첩되어 수신되는 신호로부터 채널에 의한 신호의 왜곡을 보상하기 위해 STLC 특성에 따라 두 수신 신호를 선형 결합하는 선형결합부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 퓨전센터는 상기 선형 결합을 통해 신호의 왜곡이 보상된 데이터에 후처리 함수를 수행하는 후처리부와, 상기 퓨전센터의 수신 안테나가 두 개보다 많은 경우 센서장치와 수신 안테나 간의 무선 채널 이득을 기반으로 판단하여 수신 안테나 쌍을 선택하는 제어부를 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 시공간 선 부호기반 아날로그 함수 연산 방법 및 시스템은 송신단에서만 채널 상태 정보가 필요하기 때문에 채널 피드백을 위한 오버헤드 및 전송 지연을 감소시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 종래의 기법보다 높은 무선 채널 이득을 활용할 수 있어 전력 효율의 향상과 성능 개선의 효과가 있다.
또한, 무선 센서 네트워크에서 아날로그 함수 연산을 이용하여 주파수 효율성을 향상시키고, 시공간 선 부호를 이용하여 퓨전센터의 연산 부하를 낮추고 네트워크 지연 성능을 향상함으로써 더욱 많은 센서를 수용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 시공간 선 부호기반 아날로그 함수 연산 시스템을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 시공간 선 부호기반 아날로그 함수 연산 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 시공간 선 부호기반 아날로그 함수 연산 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 시공간 선 부호기반 아날로그 함수 연산 방법을 나타내는 순서도이다.
도 6은 수신 안테나 쌍(Pair)을 선택하는 단계(S20)를 나타내는 순서도이다.
도 7a와 도 7b는 본 발명의 실시 예에 따른 퓨전센터가 무선 채널 이득 합을 추정하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시 예에 따른 확률 밀도 함수를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 평균 제곱 오차 성능(MSE)을 나타내는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 또는 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 시공간 선 부호기반 아날로그 함수 연산 시스템(10, 이하 STLC-AFC 시스템)을 나타내는 개념도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 시공간 선 부호기반 아날로그 함수 연산 시스템(10)을 나타내는 구성도이다.
또한, 도 3 및 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 시공간 선 부호기반 아날로그 함수 연산 시스템(10)을 나타내는 블록도이다. 즉, 도 3은 퓨전센터(200)의 수신 안테나(210) 수가 두 개인 경우의 시공간 선 부호기반 아날로그 함수 연산 시스템(10)을 나타내는 도면이고, 도 4는 퓨전센터(200)의 수신 안테나(210) 수가 두 개보다 많은 경우의 시공간 선 부호기반 아날로그 함수 연산 시스템(10)을 나타내는 도면이다.
이때, 도 2에서 φ는 전처리 함수이고,
Figure 112019126249873-pat00001
는 i번째 센서장치(100)의 j번째 신호를 나타낸다. 또한, ψ는 후처리 함수이고,
Figure 112019126249873-pat00002
는 k번째 수신 안테나(210)에서 t번째 시간 슬롯에 수신된 신호를 나타낸다. 또한,
Figure 112019126249873-pat00003
는 i번째 센서장치(100)에서 퓨전센터(200)의 k번째 수신 안테나(210)까지의 무선 채널이다.
시공간 선 부호화(STLC, Space-time line code) 기법은 송신단에서 알고 있는 채널 정보를 이용하여 정보를 부호화하고, 이를 단일 송신 안테나(140)를 통해 순차적으로 송신하며, 다중 수신 안테나(210)로 수신하여 최대 공간 다이버시티 이득을 얻는 기법이다.
또한, 아날로그 함수 연산(AFC, Analog Function Computation)은 채널의 중첩특성을 이용하여 통신과 연산을 동시에 수행할 수 있다. 즉, 아날로그 함수 연산(AFC, Analog Function Computation)은 신호 송수신과 동시에 함수 연산을 수행할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 시공간 선 부호기반 아날로그 함수 연산 시스템(10)은 복수의 센서장치(100)가 존재하는 무선 센서 네트워크에서 각 센서장치(100)는 측정한 데이터를 신호의 크기에 실어 동일한 무선 자원을 통해 동시에 퓨전센터(200)로 송신하고, 퓨전센터(200)는 중첩되어 수신되는 신호를 이용하여 네트워크에서 요구하는 목적함수를 연산하는 아날로그 함수 연산(AFC, Analog Function Computation)을 수행한다.
여기에서, 상기 무선 자원에는 시간, 반송(carrier) 주파수가 포함될 수 있다. 또한, 각 센서장치(100)는 퓨전센터(200)의 파일럿 신호로부터 획득한 채널 상태 정보를 이용하여 시공간 선 부호화(STLC, Space-Time Line Codes)를 수행한다.
즉, 각 센서장치(100)는 퓨전센터(200)에서 광역 전파한 파일럿 신호를 통해 자신과 퓨전센터(200) 사이의 채널 정보와 전력 제어 상수(Power control factor)를 획득할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 STLC-AFC 시스템(10)은 도 2에서 도시된 바와 같이 각각 단일 안테나(140)를 갖는 적어도 하나의 센서장치(100)와 다중 안테나(210)를 갖는 퓨전센터(200)를 포함한다.
또한, 각각의 센서장치(100)는 센싱부(110), 전처리부(120), STLC부(130) 및 송신 안테나(140)를 포함할 수 있다. 또한, 각 센서장치(100)는 측정된 데이터를 송신 전력 제한에 맞춰 맵핑할 수 있다.
또한, 전처리부(120)는 센싱부(110)를 통해 측정된 데이터를 목적함수에 따라 전처리 함수를 적용한다. 이때, 본 발명의 실시 예에 따른 STLC-AFC 시스템(10)에서 수행될 수 있는 전처리 함수(
Figure 112019126249873-pat00004
)와 후처리 함수(
Figure 112019126249873-pat00005
) 및 결과연산(
Figure 112019126249873-pat00006
)을 아래의 [표 1]에 나타낸다.
[표 1]
Figure 112019126249873-pat00007
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 STLC-AFC 시스템(10)은 상기 전처리 함수 또는 후처리 함수를 수행하기 위해 산술평균(Arithmetic Mean), 가중합계(Weighted Sum), 기하평균(Geometric Mean), 다항식(Polynomial) 및 유클리디안 노름(Euclidean Norm) 중 적어도 어느 하나를 이용할 수 있다.
또한, STLC부(130)는 전처리 함수가 적용된 데이터를 채널 상태 정보와 결합하여 두 개의 STLC(Space-Time Line Codes) 신호로 부호화한 후 두 시간 슬롯에 걸쳐 부호화된 상기 두 개의 신호를 동일한 주파수로 송신 안테나(140)를 통해 동시에 퓨전센터(200)로 전송한다.
이때, 상기 시공간 선 부호화(STLC, Space-Time Line Codes)는 아래와 같이 추출될 수 있다. 먼저, STLC의 기본 시스템 모델은 아래의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112019126249873-pat00008
여기에서 S1은 센서장치(100)가 전송하는 STLC 신호이며, hn,j는 n번째 센서장치(100)와 퓨전센터(200)의
Figure 112019126249873-pat00009
번째 안테나 사이 무선 채널을 나타낸다.
또한, 부호화된 상기 STLC 신호가 퓨전센터(200)에서 수신되어 아래의 [수학식 2]와 같이 행렬 형태의 신호로 나타날 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112019126249873-pat00010
상기 [수학식 2]를 정리하면 아래의 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112019126249873-pat00011
또한, 상기 [수학식 1]을 토대로 AFC에 적용하여 변형한 STLC는 아래의 [수학식 4]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112019126249873-pat00012
여기에서, k={1, 2, ..., K}는 송신단 센서장치(100)의 집합을 나타내고, 퓨전센터(200)의 안테나 수는 2M개이며, 이때 M은 자연수이다. 또한,
Figure 112019126249873-pat00013
는 k번째 센서장치(100)의 t번째 시간 슬롯에 해당하는 신호 크기 값을 나타낸다.
또한,
Figure 112019126249873-pat00014
는 k번째 센서장치(100)와 퓨전센터(200)의 j번째 안테나(210) 사이의 무선 채널을 나타낸다. 또한,
Figure 112019126249873-pat00015
는 퓨전센터(200)의 j번째 안테나(210)로 t번째 시간 슬롯에 수신한 신호를 나타내고,
Figure 112019126249873-pat00016
는
Figure 112019126249873-pat00017
에 발생하는 잡음을 나타낸다.
이때, 전력 제어 상수(Power control factor)(
Figure 112019126249873-pat00018
)는 아래와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019126249873-pat00019
또한, AFC에 맞춰 변형된 STLC 신호가 퓨전센터(200)에서 수신되어 나타나는 행렬 신호는 아래의 [수학식 5]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112019126249873-pat00020
상기 [수학식 5]를 정리하면 아래의 [수학식 6]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112019126249873-pat00021
Figure 112019126249873-pat00022
이때, 상기 [수학식 3]의 h 상수가 [수학식 6]에서 상쇄된 것을 확인할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 실시 예에 따른 STLC-AFC 시스템(10)이 상기 [표 1]의 산술평균을 적용하는 경우를 가정하면 다음과 같다.
이때, 센서장치(100)에서 STLC 부호화된 신호는 아래의 [수학식 7]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112019126249873-pat00023
Figure 112019126249873-pat00024
여기에서 Sk,t는 k번째 센서장치(100)가
Figure 112019126249873-pat00025
번째 시간 슬롯에 전송하는 STLC 신호이며,
Figure 112019126249873-pat00026
는 k번째 센서장치(100)가 t번째 시간 슬롯에 측정한 데이터를 전력에 맵핑한 후 네트워크에서 산술평균 연산을 수행하기 위한 전처리 함수의 결과를 나타낸다.
또한, hk,j는 k번째 센서장치(100)와 퓨전센터(200)의
Figure 112019126249873-pat00027
번째 안테나 사이 무선 채널을 나타낸다. 이때, 모든 채널이 서로 독립이고
Figure 112019126249873-pat00028
분포를 따른다고 가정한다.
또한,
Figure 112019126249873-pat00029
는 전력 제어 상수(Power control factor)로서, 각 센서장치의 송신 전력을 사용 가능한 최대 전력 이하로 제한하여 STLC 신호를 전송하기 위한 상수로 산술평균 함수에 대해
Figure 112019126249873-pat00030
일때 아래의 [수학식 8]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112019126249873-pat00031
퓨전센터(200)는 적어도 두 개의 수신 안테나(210)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 퓨전센터(200)가 두 개의 수신 안테나(210)를 구비하는 경우 퓨전센터(200)는 제1 수신 안테나(211), 제2 수신 안테나(212), 제1 수신부(221), 제2 수신부(222), 선형결합부(230), 후처리부(240) 및 제어부(250)를 포함할 수 있다.
제1 수신부(221)와 제2 수신부(222)는 각각 대응되는 제1 수신 안테나(211) 및 제2 수신 안테나(212)를 통해 각 센서장치(100)의 송신 안테나(140)로부터 전송되는 두 개의 신호를 수신할 수 있다.
선형결합부(230)는 제1 수신부(221)와 제2 수신부(222)를 통해 중첩되어 수신한 신호로부터 STLC 특성에 따라 두 수신 신호를 선형 결합하여 채널에 의한 신호의 왜곡을 보상할 수 있다.
후처리부(240)는 선형 결합을 통해 신호의 왜곡이 보상된 데이터에 후처리 함수를 적용하여 네트워크에서 요구하는 함수 연산을 수행한다. 이때, 상기 후처리 함수는 센서장치(100)에서 수행되는 전처리 함수에 대응되는 함수이다.
즉, 퓨전센터(200)는 센서장치(100)로부터 중첩되어 수신되는 신호에 센서장치(100)에서 수행된 전처리 함수에 대응되는 후처리 함수를 적용함으로써 통신과 동시에 연산을 수행할 수 있다.
한편, 도 4와 같이 퓨전센터(200)의 수신 안테나(210) 수가 두 개보다 많은 경우 제어부(250)는 퓨전센터(200)의 수신 안테나(210) 쌍을 선택할 수 있다. 즉, 퓨전센터(200)의 수신 안테나(210) 수가 두 개보다 많은 경우에 제어부(250)는 센서장치(100)와 퓨전센터(200)의 각 수신 안테나(210) 간의 무선 채널 이득을 기반으로 판단하여 가장 효율적인 수신 안테나(210) 쌍을 선택한다.
이때, 수신 안테나(210) 쌍이 선택된 후 퓨전센터(210)는 선택된 수신 안테나(210) 쌍에 대한 정보를 광역 전파하여 센서장치(100)에 알려줄 수 있다. 각 센서장치(100)는 수신 안테나(210) 쌍에 대한 채널 정보를 이용하여 시공간 선 부호화 과정을 수행한다.
제어부(250)는 아래의 [수학식 9]를 이용하여 수신 안테나(210) 쌍을 선택할 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112019126249873-pat00032
여기에서, h는 센서장치(100)와 수신 안테나(210) 간의 무선 채널 이득이고, k는 k번째 센서장치(100)를 나타내며, m은 퓨전센터(200)의 m번째 수신 안테나(210) 쌍(Pair)을 나타낸다.
또한, 센서장치(100)에서 STLC 부호화된 신호는 아래의 [수학식 10]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112019126249873-pat00033
이때, 전력 제어 상수(Power control factor)(
Figure 112019126249873-pat00034
)는 아래의 [수학식 11]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 11]
Figure 112019126249873-pat00035
또한, 센서장치(100)에서 STLC 부호화된 신호가 퓨전센터(200)에서 수신되어 나타나는 행렬 신호는 아래의 [수학식 12]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 12]
Figure 112019126249873-pat00036
상기 [수학식 12]를 정리하면 아래의 [수학식 13]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 13]
Figure 112019126249873-pat00037
이와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 STLC-AFC 시스템(10)은 동일한 반송파(즉, 동일한 무선 자원)을 통해 동시에 신호를 전송함으로써 거대 센서 네트워크에서의 무선 자원 부족을 개선할 수 있다. 또한, 채널의 중첩 특성을 이용함으로써 퓨전센터(200)에서 각 센서장치(100)의 데이터를 독립적으로 검파할 필요가 없게 되어 각 센서의 데이터 검출 시간을 줄일 수 있고, 이를 통해 통신 지연 문제를 개선할 수 있다.
또한, 시공간 선 부호 기법을 이용하여 송신단의 센서장치(100)들만 채널 상태 정보를 알고 있는 경우에 무선 채널에 의한 신호 왜곡을 보상할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 시공간 선 부호기반 아날로그 함수 연산 방법을 나타내는 순서도이고, 도 6은 도 5에서 수신 안테나 쌍(Pair) 선택 단계(S20)를 세부적으로 나타내는 순서도이다.
본 발명의 실시 예에 따른 시공간 선 부호기반 아날로그 함수 연산 방법은 센서장치(100)에서 측정된 데이터에 전처리 함수를 수행하는 단계(S10)와, 퓨전센터(200)가 수신 안테나(210)의 수를 판단하여 수신 안테나(210) 수가 두 개보다 많은 경우에 수신 안테나(210) 쌍(Pair)을 선택하는 단계(S20) 및 센서장치(100)에서 상기 전처리 함수가 적용된 데이터에 센서장치(100)의 채널 상태 정보를 결합하여 시공간 선 부호화(STLC)하는 단계(S30)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 수신 안테나(210) 쌍(Pair)을 선택하는 단계(S20)는 도 6에서 도시된 바와 같이 퓨전센터(200)의 수신 안테나(210) 두 개씩을 한 쌍으로 정의하여 안테나 쌍(antenna pair)을 설정하는 단계(S21)와, 설정된 각 안테나 쌍과 센서장치(100) 사이의 무선 채널 이득 합의 최소값을 산출하는 단계(S22) 및 상기 산출된 무선 채널 이득 합의 최소값 중에서 그 값이 최대가 되는 수신 안테나 쌍을 선택하는 단계(S23)를 포함할 수 있다.
도 4와 같이 퓨전센터(200)의 수신 안테나(210) 수가 두 개보다 많은 경우에 센서장치(100)와 퓨전센터(200)의 수신 안테나(210) 쌍 사이의 무선 채널 이득 합을 기반으로 가장 효율적인 수신 안테나(210) 쌍을 선택하는 과정을 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
도 7a와 도 7b는 본 발명의 실시 예에 따른 퓨전센터(200)가 무선 채널 이득 합을 추정하는 과정을 나타내는 도면이다. 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이 퓨전센터(200)는 다음과 같은 과정을 통해 각 센서장치(100)와 수신 안테나(210) 쌍 사이의 무선 채널 이득 합을 추정할 수 있다.
도 7a에서 도시된 바와 같이 퓨전센터(200)는 수신 안테나(210)들을 두 개씩 묶어 안테나 쌍(antenna pair)을 설정한다(S21). 예를 들어, 도 7a와 같이 제1 수신 안테나(211)와 제2 수신 안테나(212), 제3 수신 안테나(213)와 제4 수신 안테나(214), 제5 수신 안테나(215)와 제6 수신 안테나(216)를 각각 수신 안테나 쌍으로 설정할 수 있다.
또한, 센서장치(101, 102)는 자신과 퓨전센터(200)의 각 수신 안테나(210) 사이의 무선 채널 정보를 알고 있으므로 센서장치(101, 102)와 각 수신 안테나(210) 쌍에 대한 채널 이득의 합을 계산할 수 있다. 또한, 센서장치(101, 102)는 센서장치(101, 102)와 각 수신 안테나(210) 쌍에 대한 채널 이득 합의 최소값을 산출할 수 있다.
예를 들어, 도 7a에서 도시된 바와 같이 제1 센서장치(101)와 제1 수신 안테나(211), 제2 수신 안테나(212), 제3 수신 안테나(213), 제4 수신 안테나(214), 제5 수신 안테나(215), 제6 수신 안테나(216) 간의 무선 채널 이득이 각각 1, 2, 3, 4, 5, 6이고, 제2 센서장치(102)와 제1 수신 안테나(211), 제2 수신 안테나(212), 제3 수신 안테나(213), 제4 수신 안테나(214), 제5 수신 안테나(215), 제6 수신 안테나(216) 간의 무선 채널 이득이 각각 7, 8, 9, 10, 11, 12인 경우를 가정한다.
이때, 제1 수신 안테나(211) 및 제2 수신 안테나(212)의 쌍(Pair)과 센서장치(101, 102) 간의 무선 채널 이득 합은 각각 3과 15이고, 채널 이득 합의 최소값은 3이 산출된다.
마찬가지로, 제3 수신 안테나(213) 및 제4 수신 안테나(214)의 쌍(Pair)과 센서장치(101, 102) 간의 무선 채널 이득 합은 각각 7과 19이고, 채널 이득 합의 최소값은 7이 산출된다.
또한, 제5 수신 안테나(215) 및 제6 수신 안테나(216)의 쌍(Pair)과 센서장치(101, 102) 간의 무선 채널 이득 합은 각각 11과 23이고, 채널 이득 합의 최소값은 11이 산출된다.
이에 대한 과정을 세부적으로 설명하면 다음과 같다. 도 7b와 같이 퓨전센터(200)는 미리 설정된 T 시간 간격으로 각 수신 안테나(210) 쌍을 구분하고, 상기 T 시간 내에서 시간 슬롯을 분할할 수 있다. 이때, 각 시간 슬롯은 각 센서장치(100)와 퓨전센터(200)의 해당 수신 안테나(210) 쌍 사이의 채널 이득 합을 나타낸다.
각 센서장치(101, 102)는 자신이 계산한 무선 채널 이득의 합에 해당하는 시간에 임의의 신호를 전송할 수 있다. 퓨전센터(200)는 신호가 수신된 슬롯 번호를 저장한다.
이를 통해 퓨전센터(200)는 채널 추정을 위한 피드백 과정 없이 각 센서장치(100)와 모든 수신 안테나(210) 쌍에 대해 최소 채널 이득의 합을 추출할 수 있으며, 추출된 최소 채널 이득의 합이 최대에 해당하는 수신 안테나(210) 쌍을 수신 안테나(210)로 선택한다.
또한, 상기 수신 안테나 쌍을 선택하는 단계(S23) 이후에 센서장치(100)가 측정 데이터를 송신하기 전에 퓨전센터(200)가 선택된 수신 안테나(210)에 대한 인덱스와 전력 제어 상수를 광역 전파(Broadcast)하는 단계(S24)를 더 포함할 수 있다.
즉, 퓨전센터(200)는 수신 안테나(210) 쌍이 선택된 후 광역 전파(Broadcast)를 통해 선택된 수신 안테나(210) 쌍에 대한 정보를 센서장치(100)에 전송할 수 있다. 또한, 각 센서장치(100)는 선택된 수신 안테나(210) 쌍에 대한 채널 정보를 이용하여 시공간 선 부호화 과정을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 시공간 선 부호기반 아날로그 함수 연산 방법은 센서장치(100)가 시공간 선 부호화한 데이터를 동일한 무선 자원을 통해 전송하는 단계(S40)와, 퓨전센터(200)가 복수의 센서장치(100)로부터 중첩 전송된 신호를 수신하는 단계(S50)를 포함할 수 있다.
또한, 퓨전센터(200)에서 수신된 신호에 선형 결합(Linear combination)을 수행하는 단계(S60) 및 선형결합이 수행된 데이터에 네트워크에서 목적으로 하는 결과연산을 수행하기 위해 퓨전센터(200)가 상기 전처리 함수에 대응되는 후처리 함수를 수행하는 단계(S70)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 전처리 함수 또는 후처리 함수는 산술평균(Arithmetic Mean), 가중합계(Weighted Sum), 기하평균(Geometric Mean), 다항식(Polynomial) 및 유클리디안 노름(Euclidean Norm) 중 적어도 어느 하나를 수행할 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시 예에 따른 확률 밀도 함수를 나타내는 도면이다. 즉, 도 8a는 종래의 AS-AFC 시스템과 본 발명에 따른 STLC-AFC 시스템(10)의 확률 밀도 함수를 비교하여 나타내는 도면이고, 도 8b는 도 8a를 확대하여 나타내는 도면이다.
여기에서, M은 퓨전센터(200)의 수신 안테나 쌍의 수를 나타낸다. 즉, 도 8a는 퓨전센터(200)의 수신 안테나 쌍이 한 쌍(M=1)인 경우와 수신 안테나 쌍이 두 쌍(M=2)인 경우에 대한 비교 도면이다. 또한, 도면의 가로축은 무선 채널 이득을 나타낸다.
도 8a 및 도 8b에서 도시된 바와 같이 종래의 AS-AFC 시스템은 무선 채널이 0에 근접한 부분에 집중적으로 나타나는 반면, 본 발명의 실시 예에 따른 STLC-AFC 시스템(10)은 무선 채널 이득이 원점에서 이격되어 나타나는 것을 확인할 수 있다.
또한, 퓨전센터(200)의 수신 안테나 쌍이 한 쌍(M=1)인 경우보다 수신 안테나 쌍이 두 쌍(M=2)인 경우에 무선 채널 이득이 원점에서 더욱 이격되어 나타나는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 평균 제곱 오차 성능(MSE)을 나타내는 도면이다. 즉 도 9는 실험을 통해 종래의 AS-AFC 시스템과 본 발명에 따른 STLC-AFC 시스템(10)의 평균 제곱 오차 성능(MSE, Mean Sqaured Error)을 비교하여 나타내는 도면이다. 이때, 목적함수는 산술평균인 경우를 가정하여 나타낸다.
도 9에서 M은 퓨전센터(200)의 수신 안테나 쌍의 수를 나타낸다.
종래의 AS-AFC 시스템에 대한 평균 제곱 오차 성능(MSE)은 아래의 [수학식 14]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 14]
Figure 112019126249873-pat00038
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 STLC-AFC 시스템(10)의 평균 제곱 오차 성능(MSE)은 아래의 [수학식 15]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 15]
Figure 112019126249873-pat00039
도 9에서 도시된 바와 같이 종래의 AS-AFC 시스템에 비해 본 발명의 실시 예에 따른 STLC-AFC 시스템(10)의 평균 제곱 오차 성능(MSE)이 우수한 것을 확인할 수 있다. 또한, 퓨전센터(200)의 수신 안테나 쌍이 한 쌍(M=1)인 경우보다 수신 안테나 쌍이 두 쌍(M=2)인 경우에 더 나은 평균 제곱 오차 성능(MSE)을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
또한, 센서의 수가 증가할수록 종래의 AS-AFC 시스템에 비해 본 발명의 실시 예에 따른 STLC-AFC 시스템(10)의 평균 제곱 오차 성능(MSE)이 우수한 것을 확인할 수 있다.
이러한 이유는 상기 [수학식 14] 및 [수학식 15]와 같이 전력 제어 상수에 포함되는 무선 채널 이득이 종래의 AS-AFC의 경우에는
Figure 112019126249873-pat00040
이고, 본 발명의 실시 예에 따른 STLC-AFC 시스템(10)의 경우에는
Figure 112019126249873-pat00041
로 퓨전센터(200) 두 안테나의 무선 채널 이득을 모두 활용할 수 있기 때문이다.
이와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 시공간 선 부호기반 아날로그 함수 연산 방법 및 시스템(10)은 퓨전센터(200)의 수신 안테나가 두 개 이상일 경우에도 AFC를 적용할 수 있다. 또한, 퓨전센터(200) 두 안테나의 무선 채널 이득을 활용함으로써 전력 효율과 성능(평균 제곱 오차(MSE, Mean Squared Error))을 향상할 수 있는 효과가 있다.
또한, 송신단만 채널 정보를 알더라도 적용이 가능하기 때문에 채널 피드백에 따른 오버헤드를 감소하고, 통신 지연 성능을 향상할 수 있다. 또한, 시공간 선 부호의 특성에 따라 퓨전센터(200)는 종래의 아날로그 함수 연산에서 요구되는 최적화 기법 없이 채널 보상 과정을 단순히 선형 결합만으로 수행함으로써 최적화 등 복잡한 처리 절차가 필요 없어 수신단의 복잡도를 감소할 수 있다.
또한, 본 발명은 센서 네트워크에서 무선 채널의 중첩특성을 이용하여 네트워크의 목적함수 연산을 수행함으로써 차세대 IoT 네트워크에서 예상되는 무선 자원 부족 문제를 해결할 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
10 : STLC-AFC 시스템 100 : 센서장치
101 : 제1 센서장치 102 : 제2 센서장치
103 : 제3 센서장치 10K : 제K 센서장치
110 : 센싱부 120 : 전처리부
130 : STLC부 140 : 송신 안테나
200 : 퓨전센터 210 : 수신 안테나
211 : 제1 수신 안테나 212 : 제2 수신 안테나
213 : 제3 수신 안테나 214 : 제4 수신 안테나
215 : 제5 수신 안테나 216 : 제6 수신 안테나
21n : 제n 수신 안테나 220 : 수신부
221 : 제1 수신부 222 : 제2 수신부
22n : 제n 수신부 230 : 선형결합부
240 : 후처리부 250 : 제어부

Claims (10)

  1. 센서장치에서 측정된 데이터에 전처리 함수를 수행하는 단계(S10);
    상기 센서장치에서 전처리 함수가 적용된 데이터에 센서장치의 채널 상태 정보를 결합하여 시공간 선 부호화(STLC)하는 단계(S30);
    상기 센서장치가 시공간 선 부호화한 데이터를 동일한 무선 자원을 통해 전송하는 단계(S40);
    퓨전센터가 복수의 센서장치로부터 중첩 전송되는 신호를 수신하는 단계(S50);
    상기 퓨전센터에서 수신된 신호에 선형 결합(Linear combination)을 수행하는 단계(S60); 및
    선형결합이 수행된 데이터에 네트워크에서 목적으로 하는 결과연산을 수행하기 위해 상기 퓨전센터가 전처리 함수에 대응되는 후처리 함수를 수행하는 단계(S70)를 포함하며,
    상기 퓨전센터의 수신 안테나가 두 개보다 많은 경우에 상기 시공간 선 부호화(STLC)하는 단계(S30) 이전에 수신 안테나 쌍(Pair)을 선택하는 단계(S20)를 더 포함하되,
    상기 수신 안테나 쌍(Pair)을 선택하는 단계(S20)는 퓨전센터의 수신 안테나 두 개씩을 한 쌍으로 정의하여 안테나 쌍(antenna pair)을 설정하는 단계(S21); 설정된 각 안테나 쌍과 센서장치 사이의 무선 채널 이득 합의 최소값을 산출하는 단계(S22); 및 상기 산출된 무선 채널 이득 합의 최소값 중에서 그 값이 최대가 되는 수신안테나 쌍을 선택하는 단계(S23)를 포함하는 시공간 선 부호기반 아날로그 함수 연산 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시공간 선 부호화(STLC)하는 단계(S30)는 아래의 [수학식 1]을 이용하여 상기 시공간 선 부호화를 수행하는 것을 특징으로 하는 시공간 선 부호기반 아날로그 함수 연산 방법.
    [수학식 1]
    Figure 112019126249873-pat00042

    Figure 112019126249873-pat00043

    여기에서 Sk,t는 k번째 센서장치가
    Figure 112019126249873-pat00044
    번째 시간 슬롯에 전송하는 STLC 신호이고,
    Figure 112019126249873-pat00045
    는 k번째 센서장치의 t번째 신호이다. 또한, hk,j는 k번째 센서장치와 퓨전센터의
    Figure 112019126249873-pat00046
    번째 안테나 사이 무선 채널을 나타낸다.
    또한,
    Figure 112019126249873-pat00047
    는 파워 컨트롤 펙터(Power control factor)로서, 각 센서장치의 송신 전력을 사용 가능한 최대 전력 이하로 제한하여 STLC 신호를 전송하기 위한 상수이다.

  3. 제1항에 있어서,
    상기 전처리 함수 또는 후처리 함수는 산술평균(Arithmetic Mean), 가중합계(Weighted Sum), 기하평균(Geometric Mean), 다항식(Polynomial) 및 유클리디안 노름(Euclidean Norm) 중 적어도 어느 하나를 수행하는 것을 특징으로 하는 시공간 선 부호기반 아날로그 함수 연산 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 단일 안테나를 구비하고, 측정한 데이터를 채널 상태 정보를 이용하여 시공간 선 부호(STLC, Space-Time Line Codes)를 수행한 후 신호의 크기에 실어 동일한 무선 자원을 통해 동시에 퓨전센터로 송신하는 복수의 센서장치와,
    적어도 두 개의 수신 안테나를 구비하고, 중첩되어 수신되는 신호를 이용하여 네트워크에서 요구하는 목적함수를 연산하는 아날로그 함수 연산(AFC, Analog Function Computation)을 수행하는 퓨전센터를 포함하며,
    상기 퓨전센터는 퓨전센터의 수신 안테나가 두 개보다 많은 경우 센서장치와 수신 안테나 간의 무선 채널 이득을 기반으로 판단하여 수신 안테나 쌍을 선택하는 제어부를 더 포함하되,
    상기 제어부는 퓨전센터의 수신 안테나 두 개씩을 한 쌍으로 정의하여 안테나 쌍(antenna pair)을 설정하고, 설정된 각 안테나 쌍과 센서장치 사이의 무선 채널 이득 합의 최소값을 산출하며, 상기 산출된 무선 채널 이득 합의 최소값 중에서 그 값이 최대가 되는 수신안테나 쌍을 선택하는 것을 특징으로 하는 시공간 선 부호기반 아날로그 함수 연산 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 센서장치는
    센서를 이용하여 측정된 데이터를 목적함수에 따라 전처리 함수를 수행하는 전처리부와,
    상기 전처리 함수가 적용된 데이터를 채널 상태 정보와 결합하여 두 개의 STLC(Space-Time Line Codes) 신호로 부호화한 후 두 시간 슬롯에 걸쳐 부호화된 상기 두 개의 STLC 신호를 동일한 주파수로 퓨전센터에 전송하는 STLC부를 포함하는 시공간 선 부호기반 아날로그 함수 연산 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 퓨전센터는
    각각 대응되는 수신 안테나를 통해 각 센서장치로부터 전송되는 신호를 수신하는 제1 수신부 및 제2 수신부;
    상기 제1 수신부와 제2 수신부를 통해 중첩되어 수신되는 신호로부터 채널에 의한 신호의 왜곡을 보상하기 위해 STLC 특성에 따라 두 수신 신호를 선형 결합하는 선형결합부;
    상기 선형 결합을 통해 신호의 왜곡이 보상된 데이터에 후처리 함수를 수행하는 후처리부를 포함하는 시공간 선 부호기반 아날로그 함수 연산 시스템.
  9. 삭제
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는 아래의 [수학식 2]를 이용하여 수신 안테나 쌍을 선택하는 것을 특징으로 하는 시공간 선 부호기반 아날로그 함수 연산 시스템.
    [수학식 2]
    Figure 112021096236036-pat00048

    여기에서, h는 센서장치와 수신 안테나 간의 무선 채널 이득이고, k는 k번째 센서장치를 나타내고, m은 퓨전센터의 m번째 수신 안테나 쌍(Pair)을 나타낸다.

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