소프트웨어 정의 라디오를 통한 흥미롭고 효과적인 무선 통신 강의

Predrag Spasojevic Predrag Spasojevic, 러트거스 대학교

"강의와 캡스톤 설계 프로젝트, 연구 프로젝트가 성공적으로 마무리되었기 때문에, 다음 학기에는 학사 및 석사 과정 학생들이 신호 처리, 통신, 정보 이론 연구에 관심을 가지고 보다 쉽게 이해할 수 있도록, NI USRP 플랫폼과 NI LabVIEW 소프트웨어 플랫폼의 활용을 더욱 확대할 계획입니다."

Predrag Spasojevic Predrag Spasojevic, 러트거스 대학교

과제:

학사와 석사 과정 학생들이 정부, 민간 기업, 학계에서 무선 통신과 관련된 커리어를 모색할 수 있도록 동기를 부여하고 역량을 향상합니다.

해결책:

체계적인 실험실 환경을 제공하고 NI USRP (Universal Software Radio Peripheral) 트랜시버를 활용하여 학생들이 자유롭게 실무와 관련된 내용을 실습해 볼 수 있는 프로젝트 기반 강의를 제공합니다.

무선 및 디지털 통신 시스템 연구

러트거스 대학교의 전기 컴퓨터 공학과 (ECE)에서는 오랫동안 무선 통신 연구를 진행해 왔습니다. 1989년에는 정부, 민간 기업, 학계의 리소스를 동원하여 무선 네트워크 기술 발전을 위해 노력하는 무선 정보 네트워크 연구실 (WINLAB)을 설립했습니다. 부교수인 Predrag Spasojevic 박사는 대학원 디지털 통신 강의에 실습 실험과 프로젝트 기반 설계를 포함하여 한 단계 업그레이드함으로써 업계에서 활약할 차세대 무선 통신 개발자들을 양성한다는 사명에 일익을 담당합니다.

 

 

학생들이 연구에 몰입하고 흥미를 느끼게 할 도구 도입

러트거스 대학의 교수들은 학생들이 강의실에서 배운 이론과 실세계 어플리케이션 사이의 연관성을 좀처럼 이해하지 못한다는 점을 발견했습니다. 오랫동안 엔지니어링 강의에서는 학생들이 이론을 적용하고 학습 주제를 이해하도록 돕기 위해 시뮬레이션을 사용해 왔습니다. 그러나 실제 신호를 사용한 집중적인 프로젝트 기반 실험을 진행하면 학생들이 이론을 더욱 쉽게 이해하고 큰 흥미를 느끼게 될 뿐만 아니라 왜 실제 결과가 시뮬레이션 결과와 일치하지 않는 경우가 있는지 이해하게 됩니다.

 

ECE 545 교육과정의 대학원생들에게 2012년 봄 학기에 처음으로 NI USRP-2920 트랜시버를 소개했습니다. 학부 학생들에게는 2012년 가을 학기에 이 트랜시버를 소개했지요. 저는 조교와 함께 텍사스 대학 오스틴 캠퍼스의 Robert W. Heath Jr. 박사가 쓴 "디지털 무선 통신: NI USRP를 사용한 물리적 레이어 실습 교재"에서 실습 예제를 발췌하는 작업부터 시작했습니다. 학생들은 변조 기술과 필터링을 실습할 뿐만 아니라 채널 추정이나 캐리어 복원처럼, 실제 생활에서 발생하는 동기화 문제도 직접 경험해볼 수 있었습니다. 우리는 매 단계에서 학생들이 비판적 사고 기술을 갖추고 실제 통신 시스템이 어떻게 작동하고 연구를 통해 이를 어떻게 개선할 수 있을지 직관적으로 이해할 수 있도록 독려했습니다. 또한 강의 내용에 맞는 실습 프로젝트를 통해 강의실에서 배운 개념을 더욱 확실하게 이해하고, 무선 신호의 채널 코딩과 디코딩 과정에서 Reed-Solomon (RS) 코드와 Galois 필드를 사용하는 등, 고급 통신 기술을 익힐 수 있도록 구성했습니다.

 

학생들은 알고리즘과 파라미터를 변경하고 그 결과를 즉시 관찰하면서 개념을 더욱 확실히 이해했습니다. 모두들 강의에 열성적으로 임했으며 특히 큰 흥미를 보이는 학생들도 있었습니다.  대학원 과정 초기에 학생들에게 과제를 제시하는 것은 매우 유익합니다. 향후에 비슷한 과제에 대처하는 방법을 알게 되고 연구를 통해 문제를 해결할 수 있는 실용적인 지식을 얻게 되기 때문입니다.

 

 

두 학기 후의 결과

학생들의 강의 평점은 러트거스 대학의 기준으로 아주 뛰어난 평균 4.6점/5점이었으며 강의에 대한 소감도 매우 긍정적이었습니다.

 

"통신 분야에 무척 흥미를 느끼게 되었습니다. 강의가 수준 높고 흥미로웠으며, 함께 진행한 실습도 유익했습니다."

 

"실험 과제를 통해 이론을 실제로 테스트하고 통신 시스템의 작동 방법에 대해 더욱 깊이 이해할 수 있었습니다."

 

초기에 이렇게 성공을 거둔 후에는 ECE 545 강의 이외에도 실습 장비를 사용하게 되었습니다. 몇 명의 학부 4학년 학생이 NI USRP-2920에 대해 알게 되어 자신들이 진행하는 캡스톤 설계 프로젝트에 활용하고 싶어 했습니다. 이들은 몇 개의 NI USRP 트랜시버를 사용하여 무선 네트워크로 연결된 개별 노드가 유기적으로 동작하는 무선 오케스트라를 제작함으로써 캡스톤 프로젝트를 성공적으로 마무리했습니다. 학부 연구생들은 또한 프로젝트에 NI USRP-2920을 사용하여 이해도를 높이고 RS 코딩의 유용성을 검증하기도 했습니다. NI USRP-2920을 사용하여 실제 무선 채널을 생성함으로써 학생들은 AWGN (additive white Gaussian noise)과 버스트 간섭의 영향을 직접 관찰하고 다양한 간섭 조건 하에서 여러 가지 코딩 기술을 이해할 수 있었습니다.

 

우리는 아주 단기간 내에 놀라운 성공을 거두었습니다. 강의와 캡스톤 설계 프로젝트, 연구 프로젝트가 성공적으로 마무리되었기 때문에, 다음 학기에는 학사 및 석사 과정 학생들이 신호 처리, 통신, 정보 이론 연구에 관심을 가지고 보다 쉽게 이해할 수 있도록, NI USRP 플랫폼과 NI LabVIEW 소프트웨어 플랫폼의 활용을 더욱 확대할 계획입니다. 학생들이 개념을 학습한 후 연구를 진행하거나 실제 어플리케이션을 활용하게 되면 NI USRP 플랫폼도 그에 따라 확장되므로 사회에 진출한 후에도 강의실에서 배운 지식을 충분히 활용할 수 있습니다.

 

저자 정보:

Predrag Spasojevic 박사
러트거스 대학교
spasojev@winlab.rutgers.edu

그림 1. 학생들이 ECE 실험 강의에서 그룹 프로젝트를 진행하고 있습니다.
그림 2. 학생들이 “디지털 무선 통신: NI USRP를 사용한 물리적 계측 탐구” 매뉴얼에 수록된 소스 코드를 사용합니다.