인지 무선 통신을 위한 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 기법

• Published in: 한국정보통신학회논문지 Vol. 24; no. 2; pp. 276 - 284
• Main Authors: 정태윤(Tae-Yun Jung), 이의수(Eui-Soo Lee), 김도경(Do-Kyoung Kim), 오지명(Ji-Myung Oh), 노우영(Woo-Young Noh), 정의림(Eui-Rim Jeong)
• Format: Journal Article
• Language: Korean
• Published: 한국정보통신학회 2020
• Subjects: 전자/정보통신공학; 인지 통신; 이진 분류; Spectrum sensing; Energy detection; 스펙트럼 센싱; Convolutional neural network; 에너지검출; Cognitive radio; 합성곱 신경망; Binary classification
• ISSN: 2234-4772; 2288-4165
• DOI: 10.6109/jkiice.2020.24.2.276

This paper proposes a new convolutional neural network (CNN) based spectrum sensing technique for cognitive radio communications. The proposed technique determines the existence of the primary user (PU) by using energy detection without any prior knowledge of the PU's signal. In the proposed method, the received signal is high-rate sampled to sense the entire spectrum bands of interest. After that, fast Fourier transform (FFT) of the signal converts the time domain signal to frequency domain spectrum and by stacking those consecutive spectrums, a 2 dimensional signal is made. The 2 dimensional signal is cut by the sensing channel bandwidth and inputted to the CNN. The CNN determines the existence of the primary user. Since there are only two states (existence or non-existence), binary classification CNN is used. The performance of the proposed method is examined through computer simulation and indoor experiment. According to the results, the proposed method outperforms the conventional threshold-based method by over 2 dB. 본 논문에서는 인지 무선 통신을 위한 새로운 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 기법을 제안한다. 제안하는 기법은 주 사용자 신호에 대한 어떠한 사전 정보도 알지 못하는 상황에서 에너지 검출을 통해 주 사용자 신호 유무를 판단한다. 제안하는 기법은 센싱하고자 하는 전체 대역을 고려하여 수신신호를 고속으로 샘플링한다. 이후 신호의 FFT(fast Fourier transform)을 통해 주파수 스펙트럼으로 변환하고 연속적으로 이와 같은 스펙트럼을 쌓아서 2차원 신호를 만든다. 이렇게 만든 2차원 신호를 탐지하고자 하는 채널 대역폭 단위로 자르고 합성곱 신경망에 입력하여 채널이 사용 중인지 비어있는지 판단한다. 판단하고자 하는 분류의 종류가 두 가지이므로 이진 분류 합성곱 신경망을 사용한다. 제안하는 기법의 성능은 컴퓨터 모의실험과 실제 실내환경에서의 실험을 통해 검증하는데 이 결과에 따르면 제안하는 기법은 기존 문턱값 기반 기법보다 2 dB 이상 우수한 성능을 보인다.