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문제 정의
- 5세대 이동통신 시스템에서 무선 접속망용 검증 시스템 구축에 관한 내용을 본 논문을 통하여 알아보았다. 손쉽게 무선통신 환경을 구현할 수 있는 SDR 기술을 이용하여 개발한 패턴/편파 안테나들을 검증할 수 있도록 MIMO 송수신이 가능한 시스템을 만들었다.
- 5세대 이동통신 시스템의 무선 백홀과 무선 접속망 모두 용량 확보의 한 방안으로 패턴/편파 안테나 설계를 연구하고 있으며, 본 논문에서는 설계한 패턴/편파 안테나가 실제로 어느 정도의 이득을 얻을 수 있는지 확인하기 위한 무선 접속망 시스템 구축과 성능 분석에 대해서 알아보도록 한다.
- 본 논문에서는 제안하는 5세대 이동통신 시스템의 구조에 대해서 간략하게 설명하고, 계층적 구조 중 개발하는 패턴/편파 안테나를 검증하기 위한 무선 접속망 시스템 구축에 대해서 기술한다. 다음으로 패턴/편파 안테나와 기존의 MIMO 안테나의 성능을 구축한 무선 접속망 시스템을 이용하여 측정하고 분석한 후 마지막으로 결론을 맺는다.
제안 방법
- 8x8 MIMO 전송 시스템의 베이스밴드 부분은 GNU Radio에서 제공하는 신호처리 블럭 라이브러리를 이용하였고, 필요한 부분은 수정 및 추가 코딩을 통하여 구현하였다.
- 본 논문에서는 제안하는 5세대 이동통신 시스템의 구조에 대해서 간략하게 설명하고, 계층적 구조 중 개발하는 패턴/편파 안테나를 검증하기 위한 무선 접속망 시스템 구축에 대해서 기술한다. 다음으로 패턴/편파 안테나와 기존의 MIMO 안테나의 성능을 구축한 무선 접속망 시스템을 이용하여 측정하고 분석한 후 마지막으로 결론을 맺는다.
- MIMO 전송 시스템에서는 사용하는 안테나의 개수가 많아질수록 다른 안테나로부터의 간섭이 커지기 때문에 에러가 증가하게 된다. 따라서, MAC layer에서 에러가 난 데이터를 복원하기 위하여 HARQ를 구현하였다. 송신단에서는 처음에 데이터에 시간 정보를 삽입하여 수신단에서 에러가 난 경우 어느 시간에 보낸 데이터가 에러가 난 데이터인지 파악 가능하다.
- 마지막으로 8x8 전송 환경에서 전기장 안테나와 전기장/자기장 안테나, 8-port MIMO 안테나의 채널 용량을 측정하여 비교하였다. <그림 13>을 통하여 8-port MIMO 안테나의 성능이 가장 좋고, 전기장 안테나와 전기장/자기장 안테나의 성능은 8-port MIMO 안테나의 성능에 미치지 못하는 것을 알 수 있다.
- 또한, USRP 보드간 동기화를 위해 위에서 언급한 10MHz와 1PPS 신호용 분배기가 존재한다. 마지막으로 송신단 및 수신단에 이 모든 것들이 필요하기 때문에 랙에 PC와 USRP 보드 8개, 스위칭 허브, 10MHz 신호용 분배기, 1PPS 신호용 분배기를 설치하였다. 이때 USRP 보드와 안테나가 SMA 케이블을 통하여 연결된다.
- 여기서 comstellation mapping 방식은 BPSK, QPSK, 16QAM 세 가지를 선택하여 이용할 수 있다. 복소수로 변조된 데이터들은 OFDM modulation을 통해 OFDM 심볼로 만들어지는데, 이때 FFT 사이즈는 512를 이용하였으며 심볼간 간섭을 제거하기 위한 CP(Cyclic Prefix)는 128개의 샘플 길이를 사용하였다.
- 본 절에서는 제작한 여러 가지의 패턴/편파 안테나 중 과 같은 8-port 전기장 패턴/편파 안테나와 과 같은 8-port 전기장/자기장 패턴/편파 안테나를 이용하여 실험을 진행하였고, 비교를 위하여 reference로 사용할 과 같은 8-port MIMO 안테나의 실험 역시 진행하였다.
- 설계한 무선 접속망 시스템은 2GHz 주파수에서 방사하는 패턴/편파 안테나를 검증하기 위한 것이며, 넓은 주파수 대역을 사용하는 경우 PC에 부하가 걸리기 때문에 1MHz 주파수 대역폭을 사용하도록 설계하였다. 또한, 패턴/편파 안테나를 검증할 수 있어야 하기 때문에 MIMO 송수신이 가능한 시스템이어야 한다.
- 5세대 이동통신 시스템에서 무선 접속망용 검증 시스템 구축에 관한 내용을 본 논문을 통하여 알아보았다. 손쉽게 무선통신 환경을 구현할 수 있는 SDR 기술을 이용하여 개발한 패턴/편파 안테나들을 검증할 수 있도록 MIMO 송수신이 가능한 시스템을 만들었다. 구현한 무선 접속망용 검증 실험 시스템을 통하여 개발한 패턴/편파 안테나들을 실측한 결과 반파장 이내의 크기에 많은 안테나를 집적하여 만든 안테나의 성능이 동일한 수신 SNR에서 MIMO 안테나에 뒤지지 않는 용량 이득을 얻을 수 있음을 확인하였다.
- 실험은 1x1부터 8x8 전송을 하였으며, 이상적인 채널 용량 (full rank 상황)과 비교를 하였다. 먼저, 8-port 전기장 패턴/ 편파 안테나의 채널 용량은 <그림 9>와 같은 환경에서 측정한 결과로 <그림 10>과 같은 결과를 얻었다.
- 우리는 100Gbps수준의 용량을 확보하기 위하여 과 같은 계층적인 시스템 구조를 제안한다.
- 수신단에서 가장 처음으로 해야 하는 일은 받은 데이터 프레임의 시작 위치를 정확하게 찾는 것이다. 이를 위해 데이터 프레임의 시작 위치를 찾고, CFO를 보정 하기 위한 알고리즘을 통해 Time/Frequency offset을 보정하였다[9]. 이를 통해 데이터 스트림의 시작 위치를 찾으면 프리엠블을 이용하여 MIMO 채널을 추정한다.
- 이를 위해 데이터 프레임의 시작 위치를 찾고, CFO를 보정 하기 위한 알고리즘을 통해 Time/Frequency offset을 보정하였다[9]. 이를 통해 데이터 스트림의 시작 위치를 찾으면 프리엠블을 이용하여 MIMO 채널을 추정한다. MIMO 채널 추정시 Zero-forcing 방법을 이용하여 추정한다.
대상 데이터
- 검증용으로 사용될 패턴/편파 안테나들은 8개의 안테나를 집적한 안테나들이다. 따라서, 패턴/편파 안테나를 검증하기 위해서는 8x8 MIMO 송수신이 가능한 시스템이 필요하다.
- 사용한 USRP 보드와 daughterboard는 USRP N210 보드와 WBX daughterboard이다[8]. USRP N210 보드는 100MS/ s의 속도를 가진 ADC와 400MS/s의 속도를 가진 DAC를 가지고 있으며, GPS 모듈로부터 외부 reference 신호를 입력 가능한 포트를 가지고 있어 MIMO 시스템 구현이 가능하다.
- 패턴/편파 안테나를 검증하기 위한 무선 접속망 시스템을 구축하기 위하여 SDR 플랫폼 중 GNU Radio와 Ettus 사의 USRP 보드를 사용하였다.
이론/모형
- 이를 통해 데이터 스트림의 시작 위치를 찾으면 프리엠블을 이용하여 MIMO 채널을 추정한다. MIMO 채널 추정시 Zero-forcing 방법을 이용하여 추정한다. 추정한 MIMO 채널을 이용하여 채널 페이딩 효과를 보정하기 위하여 복잡도가 낮은 Zero-forcing 방법을 이용하여 equalization을 한다.
- 이는 소프트웨어 상에서 간단한 코딩을 통하여 무선랜과 같은 기존의 무선 통신을 구현하거나 자신이 원하는 규격의 무선 통신 구현 역시 자유롭게 만든다. SDR 기술을 지원하는 소프트웨어와 하드웨어 장비는 여러 가지가 있는데, 무선 접속망 시스템 구축을 위해 GNU Radio와 USRP(Universal Software Radio Peripheral) 보드를 이용하였다[7][8].
- 설계한 패턴/편파 안테나들은 시뮬레이션 및 계측 장비를 통하여 성능을 검증하였지만, 실제 무선통신 상황에서 전송했을 경우에 대한 성능 검증 역시 필요하다. 따라서, 설계한 패턴/편파 안테나를 검증하기 위한 무선 접속망 시스템을 구축하기 위하여 SDR(Software Defined Radio) 기술을 이용하였다.
- 먼저, 8x8 MIMO 전송 시스템 구현에서 MIMO 전송 환경은 채널이 다중 경로 페이딩 채널이기 때문에 수신단에서 채널의 영향을 주파수 영역에서 쉽게 보정이 가능한 OFDM(Orthogonal Frequency Division multiplexing) 방법을 사용하였다. 송신단에서 MAC layer로부터 받은 데이터는 비트로 이루어져 있다.
- 각 데이터 스트림은 전송 에러를 줄이기 위하여 채널 코딩 블럭을 통해 인코딩된다. 본 시스템에서는 채널 코딩 방법으로 1/2-rate convolutional code를 이용하였으며, puncturing을 통하여 rate 변경이 가능하다. 채널 코딩 블럭을 통해 인코딩된 데이터 스트림들은 constellation mapping을 통해 복소수로 된 심볼로 변조된다.
- 전기장 안테나는 near field에서 전기장이 형성되는 안테나이고, 자기장 안테나는 near field에서 자기장이 형성되는 안테나를 칭한다. 전송 실험은 연구소 실내 환경에서 BPSK 변조 방식을 사용하여 진행하였다. 전송 실험을 통하여 수신단에서 채널 추정을 통하여 채널 값을 측정하고 이를 이용하여 채널 용량을 구할 수가 있다.
- MIMO 채널 추정시 Zero-forcing 방법을 이용하여 추정한다. 추정한 MIMO 채널을 이용하여 채널 페이딩 효과를 보정하기 위하여 복잡도가 낮은 Zero-forcing 방법을 이용하여 equalization을 한다. 채널 페이딩 효과가 보정된 데이터들은 BPSK, QPSK, 16QAM의 복조를 통하여 비트로 변환되고, convolutional code로 인코딩된 데이터를 디코딩하기 위해 잘 알려진 비터비 디코더 블록에 의해 디코딩된다.
성능/효과
- 손쉽게 무선통신 환경을 구현할 수 있는 SDR 기술을 이용하여 개발한 패턴/편파 안테나들을 검증할 수 있도록 MIMO 송수신이 가능한 시스템을 만들었다. 구현한 무선 접속망용 검증 실험 시스템을 통하여 개발한 패턴/편파 안테나들을 실측한 결과 반파장 이내의 크기에 많은 안테나를 집적하여 만든 안테나의 성능이 동일한 수신 SNR에서 MIMO 안테나에 뒤지지 않는 용량 이득을 얻을 수 있음을 확인하였다.
- 실측 결과는 8x8 전송의 경우 20dB SNR에서 이상적인 6x6 MIMO에 가까운 성능을 얻는 것을 알 수 있다. 또한, 사용하는 안테나의 개수가 늘어날수록 얻을 수 있는 채널 용량이 증가하는 것을 확인하였다.
- 먼저, 8-port 전기장 패턴/ 편파 안테나의 채널 용량은 <그림 9>와 같은 환경에서 측정한 결과로 <그림 10>과 같은 결과를 얻었다. 실측 결과는 8x8 전송의 경우 20dB SNR에서 이상적인 6x6 MIMO에 가까운 성능을 얻는 것을 알 수 있다. 또한, 사용하는 안테나의 개수가 늘어날수록 얻을 수 있는 채널 용량이 증가하는 것을 확인하였다.
- 마지막으로 8x8 전송 환경에서 전기장 안테나와 전기장/자기장 안테나, 8-port MIMO 안테나의 채널 용량을 측정하여 비교하였다. <그림 13>을 통하여 8-port MIMO 안테나의 성능이 가장 좋고, 전기장 안테나와 전기장/자기장 안테나의 성능은 8-port MIMO 안테나의 성능에 미치지 못하는 것을 알 수 있다. 이 이유는 MIMO 안테나의 경우는 안테나간 간격을 반파장 이상을 확보하였지만, 연구를 통하여 제작한 패턴/편파 안테나는 반파장 이내에 안테나를 집적하였기 때문이다.
- 8-port 전기장/자기장 패턴/편파 안테나는 <그림 11>과 같은 환경에서 실험하여 <그림 12>와 같은 채널 용량 결과를 얻었다. 전기장/자기장 패턴/편파 안테나의 경우는 8x8 전송을 하였을 때, 20dB SNR에서 이상적인 5x5 MIMO와 비슷한 채널 용량을 얻을 수 있음을 알 수 있으며, 전기장 패턴/편파 안테나와 마찬가지로 사용하는 안테나 개수가 늘어날수록 얻을 수 있는 채널 용량이 증가하는 것을 알 수 있다.
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