Prototyping Real-Time Full-Duplex Radios

MinKeun Chung, Yonsei University

"LabVIEW와 SDR 플랫폼이 긴밀하게 결합되어 복잡한 하위 레벨 하드웨어를 단순화해주므로 유연한 시스템 분할 기능을 활용하여 알고리즘을 개선하는데 노력을 집중할 수 있습니다."

- MinKeun Chung, Yonsei University

과제

단일 채널을 사용할 수 있는 실시간 전이중 무선 시스템의 프로토타입을 제작하면 수십 억 달러에 달하는 스펙트럼 자산의 가치를 즉시 두 배로 높일 수 있으며 5G 무선 통신 시스템의 진화를 보완하고 유지시킬 수 있습니다.

솔루션

NI 소프트웨어 정의된 라디오 제품과 LabVIEW 소프트웨어를 사용하여 2중 편파 안테나 기반의 아날로그 부품을 실시간으로 작동하는 Digital Self Interference Canceller와 결합함으로써 더욱 신속하게 결과를 도출하고 전이중 무선에 대한 아이디어를 검증할 수 있었습니다.

필자:

MinKeun Chung - Yonsei University
Min Soo Sim - Yonsei University
Dong Ku Kim - Yonsei University
Chan-Byoung Chae - Yonsei University

 

 

연세대학교 연구팀은 이론에서 프로토타이핑에 이르기까지 미래의 무선 통신 개발을 위해 연구를 진행하고 있습니다. 우리는 2014년 이후 RF/통신 Lead User 프로그램을 통해 NI의 Advance Wireless Research Team과 공조하고 있습니다. 2014년 12월에는 텍사스 오스틴에서 열린 IEEE GLOBECOM에서 리얼타임 전이중 LTE 시스템을 시연한 바 있습니다. 이 프로토타입을 기반으로 하여 주요 문제점을 해결하고 실시간 전이중 무선을 구현하는 방법을 고안할 수 있었습니다.

 

스마트폰과 태블릿 등의 고급 무선 네트워크 기능을 갖춘 모바일 기기는 점점 더 보편적으로 사용되고 있습니다, 이렇게 모바일 기기의 수가 늘어나면 필요한 대역폭도 크게 증가합니다.

 

물리학의 법칙 때문에 더 많은 스펙트럼을 생성해내는 것은 불가능하지만, 새로운 기술을 활용하여 스펙트럼의 효율성을 향상시킴으로써 희소한 기존 자원의 활용도를 크게 확대할 가능성은 있습니다. 전이중은 부족한 스펙트럼 문제를 경감할 수 있는 새로운 기술 후보 중 하나입니다. 이 기술은 이론적으로 스펙트럼 효율성을 두 배로 증가시키므로 수십 억 달러에 해당하는 경제적 가치를 가져옵니다. 따라서 전이중은 진화하는 무선 시스템의 문제를 해결하기 위한 엄청난 잠재력을 가지고 있습니다.

 

 

1895년에 Guglielmo Marconi가 무선 전신을 개발한 이래, 자가 간섭(self-interference)은 무선 네트워크의 골칫거리였습니다. 자가 간섭은 전이중 무선 시스템을 구현할 때에도 많은 문제를 야기합니다. 자가 간섭이 있는 경우, 무선 네트워크의 트랜시버 커플링을 통해 신호가 트랜스미터에서 자체 리시버로 전달되고 동시에 이 리시버는 다른 기기가 전송한 신호를 받으려고 시도합니다. 이렇게 되면 무선 네트워크가 같은 채널에서 반이중 모드로 작동한다는 기본 전제가 필요합니다. 예를 들어 오늘날의 LTE FDD에서는 다운링크와 업링크 전송이 두 가지 서로 다른 주파수 대역에서 일어납니다. 다른 말로 하면 자가 간섭이 있는 경우 시간과 주파수 등의 무선 통신 가용 자원의 양이 반으로 줄어들게 된다는 의미입니다. 따라서 한정된 무선 리소스로 최고의 스루풋 성능을 내기 위해서는 자가 간섭을 잘 관리해야 합니다.

 

지금까지는 연구원들이 주로 소프트웨어 시뮬레이션을 통해 단순화된 채널 모델(예를 들어 AWGN나 Rayleigh 페이딩 등) 사용하는 이론을 테스트해왔습니다. 그러나 실제 무선 시스템에서는 증폭기의 비선형성, 게인/위상 오프셋, I/Q 불균형, 양자화 효과, 타이밍 지터 등 시뮬레이션에서 간과되기 쉬운 결함이 발생하기 마련입니다. 이러한 결함 때문에 새로운 무선 표준이나 기술의 적합성 및 상용화 가능성을 검증하려면 프로토타입 제작이 꼭 필요합니다. LabVIEW 그래픽 설계 시스템은 SDR을 사용한 빠른 프로토타이핑과 관련하여 여러 가지 특성을 갖추고 있습니다. LabVIEW와 SDR 플랫폼이 긴밀하게 결합되어 복잡한 하위 레벨 하드웨어를 단순화해주므로 유연한 시스템 분할 기능을 활용하여 알고리즘을 개선하는데 노력을 집중할 수 있습니다. 또한 통신 및 신호 프로세싱 라이브러리를 제공하는 시스템 설계 툴도 프로토타이핑 시간을 크게 단축시킵니다.

 

 

프로토타입 구성

우리는 다음과 같은 시스템 사양에 따른 LTE 다운링크 표준에서 전이중 프로토타입을 시연했습니다: 20 MHz의 전송 대역폭, 30.72 MHz 샘플링 속도, 15 kHz 부반송파 간격, 2048 빠른 푸리에 변환(FFT) 크기, 4/16/64의 다양한 직교 진폭 변조(QAM). LTE 다운링크의 프레임 구조에서는 전송 시 10 ms의 프레임 주기를 사용했습니다. 각 프레임은 20개의 슬롯으로 나뉘며 각각의 주기는 0.5 ms입니다. 각 슬롯에는 6개의 OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) 기호가 있으며 CP (cyclic prefix)의 길이는 512입니다(확장 모드). 우리는 NI PXIe-8133 RT 컨트롤러를 사용하여 데이터 비트를 생성했습니다. 변조 블럭 다음에는 데이터 기호가 룩업 테이블에 저장된 참조   기호와 함께 끼워넣기 되어 있습니다. 우리는 끼워넣기한 기호의 배열에 0을 채워넣어 2048 샘플의 배열을 만들었습니다. 2048 샘플은 2048 포인트 역 FFT (IFFT) 블럭을 통과하면서 주파수 영역 샘플이 시간 영역 샘플로 변환됩니다. NI PXIe-7965R FPGA 모듈에서 512 CP 삽입 블럭으로 2048 IFFT를 수행했습니다. 이산 푸리에 변환을 수행할 때에는 Xilinx FFT IP 코어를 사용했습니다.

 

 

제안된 전이중 시스템

아날로그 자가 간섭 제거를 위해서는 새로운 RF 안테나를 도입했습니다. 기본적으로 높은 교차 편파 식별도(XPD) 특징을 가지고 있는 이중 편파 안테나를 활용했습니다. XPD는 교차 편파 성분 평균 전력에 대한 동일 편파 평균 전력의 비율로 정의합니다. 다른 말로 하면 XPD는 수평 및 수직 교차 신호 사이에 방사 또는 수신 극성의 순도를 유지할 수 있는 능력을 나타냅니다. 제안된 RF 유닛은 두 개의 극이 있는 컴팩트 안테나입니다. 하나의 극은 방사된 수신(Tx) 출력으로 사용되고 나머지 하나는 전이중 무선의 수신(Rx) 입력으로 사용됩니다. XPD는 특히 Tx와 Rx 포트 사이의 누화가 시스템의 스루풋 성능에 영향을 좋지 않은 영향을 미칠 수 있는 전이중 시스템에서 중요한 특징입니다. XPD는 포트간 절연과 관계가 있기 때문에 XPD가 높은 이중 편파 안테나는 전이중 시스템에 매우 적합한 솔루션입니다. 우리는 이중 편파 안테나가 24 dB의 절연을 구현한다는 사실을 발견했습니다. 적극적으로 아날로그 제거를 수행하면 감쇠, 위상 편이, 지연 파라미터를 조율하여 최대 60 dB의 추가적인 게인을 얻을 수 있습니다.

 

디지털 자가 간섭 제거의 목표는 아날로그 영역에서 일단 자가 간섭을 제거한 이후에 남아있는 자가 간섭을 억제하는 것입니다. 디지털 자가 간섭 제거는 자가 간섭을 재구축한 뒤 수신한 신호에서 이를 빼는 과정으로 구성되어 있습니다. 원하는 기호를 디코딩할 때에는 전이중 모드에서 어떤 잔여 자가 간섭이 수신된 기호에 영향을 미치는지 파악하는 것이 매우 중요합니다. 따라서 핵심은 원하는 링크 및 잔여 자가 간섭에 대한 동기화 및 채널 추정 전략을 설계하는 것입니다. 뛰어난 성능을 갖춘 실시간 Digital Self Interference Canceller를 가동하기 위해 LabVIEW 시스템 설계 소프트웨어와 PXI Express 플랫폼을 사용하여 FPGA를 구현하는 데 주력했습니다. 디지털 영역에서는 자가 간섭의 에러 벡터 크기를 계산하여 디지털 자가 간섭의 평균적인 수준을 측정했습니다. 그 결과 디지털 영역에서는 43 dB의 자가 간섭 제거를 얻었습니다.

 

프로토타입 테스트 결과

스루풋이 얼마나 향상되는지 확인하기 위해 동일한 시스템 스펙과 하드웨어 구조를 갖추고 있으며 반이중에서 구동되는 LTE FDD 프로토타입도 제작했습니다. 전이중 프로토타입은 실시간으로 높은 스루풋 성능을 보여주었습니다. 기존의 반이중 모드와 비교할 때 4와 15 QAM에서는 1.9배, 64 QAM에서는 1.89배의 스루풋 향상 효과가 관찰되었습니다.

 

결론

전이동 기술은 한정된 무선 자원에도 불구하고 수요가 폭발적으로 증가하고 있는 영역에서 스펙트럼의 효율성을 향상시키는 데 큰 역할을 할 수 있는 기술입니다. 전이중 무선과 같은 새로운 무선 표준이나 기술의 적합성 및 상용화 가능성을 검증하기 위해서는 SDR 기반 프로토타이핑이 필수적입니다. 우리는 이중 편파 전이중 RF와 Digital Self Interference Canceller가 결합되어 있으며 SDR 플랫폼에서 실시간으로 작동하는 시스템의 프로토타입을 제작했습니다. 그 과정에서 뛰어난 자가 간섭 제거 성능을 보여주는 보다 현실적인 프로토타입에 주력했습니다. 본 문서에서는 차세대 무선 통신 시스템 표준이 될 수 있는 실시간 전이중 LTE 시스템의 설계, 구현, 검증을 중점적으로 설명했습니다. 우리가 개발한 프로토타입 설계가 미래의 무선 통신 시스템을 위해 가장 실용적인 솔루션을 개발하는 데 유용하게 활용되기를 바랍니다. 뿐만 아니라 앞으로도 SDR 플랫폼을 기반으로 한 NI 시스템 설계 소프트웨어를 사용하여 보다 개선된 전이중 시스템을 위한 아키텍처를 설계하고 구현해 나갈 것입니다.

 

필자 정보

MinKeun Chung
Yonsei University
50 Yonsei-ro, Seodaumun-gu, Seoul
South Korea
minkeun.chung@yonsei.ac.kr

그림 1. 실시간 전이중 무선 실험 구성
그림 2. 프로토타입 구성
그림 3. 제안된 전이중 무선 아키텍처의 블록다이어그램
그림 4. SDR 플랫폼에서 실시간으로 작동하는 Digital Self Interference Canceller를 구현하기 위한 소스 코드의 일부
그림 5. (a) 아날로그 자가 간섭 제거 및 (b) 디지털 자가 간섭 제거의 측정 결과
그림 6. (a-왼쪽) 아날로그 패시브 자가 간섭 제거만 수행했을 때의 constellation 결과 (a-오른쪽) 아날로그와 디지털 자가 간섭 제거를 수행했을 때의 constellation 결과 (b) 각 constellation의 스루풋 성능
그림 7. 64 QAM에서의 스루풋 성능