김영준
(Department of Electrical and Information Engineering, Seoul National University of Science and Technology)
,
신진재
(Department of Electrical and Information Engineering, Seoul National University of Science and Technology)
,
조현덕
(Department of Electrical and Information Engineering, Seoul National University of Science and Technology)
,
윤지훈
(Department of Electrical and Information Engineering, Seoul National University of Science and Technology)
동일 주파수에서 신호의 송신과 수신을 동시에 수행하는 전이중 통신은 무선 링크 용량을 향상시킬 기술로 관심을 받고 있지만, 노드가 전송하는 시그널이 자신에게 간섭으로 작용하는 자기간섭을 억제해야 용량 이득을 달성할 수 있다. 본 논문에서는 자기간섭 제거 기법을 구현하고 이를 SDR(Software-Defined Radio) 기반의 송수신 시스템과 결합한 테스트베드 실험을 통해 제거 성능을 측정한다. 구현된 자기간섭 제거 기법은 안테나 배치 기법과 아날로그 신호 레벨에서 노이즈를 제거하는 회로 기법으로, 안테나 배치를 통한 기법의 동작 시 안테나 위치에 따른 자기간섭 제거 게인의 변화를 측정을 통해 보이고, 이 두 기법이 동시에 적용되었을 때 추가적인 게인을 얻을 수 있음을 보인다.
동일 주파수에서 신호의 송신과 수신을 동시에 수행하는 전이중 통신은 무선 링크 용량을 향상시킬 기술로 관심을 받고 있지만, 노드가 전송하는 시그널이 자신에게 간섭으로 작용하는 자기간섭을 억제해야 용량 이득을 달성할 수 있다. 본 논문에서는 자기간섭 제거 기법을 구현하고 이를 SDR(Software-Defined Radio) 기반의 송수신 시스템과 결합한 테스트베드 실험을 통해 제거 성능을 측정한다. 구현된 자기간섭 제거 기법은 안테나 배치 기법과 아날로그 신호 레벨에서 노이즈를 제거하는 회로 기법으로, 안테나 배치를 통한 기법의 동작 시 안테나 위치에 따른 자기간섭 제거 게인의 변화를 측정을 통해 보이고, 이 두 기법이 동시에 적용되었을 때 추가적인 게인을 얻을 수 있음을 보인다.
Full-duplex communication can enhance wireless capacity by enabling simultaneous transmission and reception of the signals on the same frequency spectrum. Such a benefit, however, is only achieved when strong self-interference is well canceled below a sufficient level. To achieve this goal, there ha...
Full-duplex communication can enhance wireless capacity by enabling simultaneous transmission and reception of the signals on the same frequency spectrum. Such a benefit, however, is only achieved when strong self-interference is well canceled below a sufficient level. To achieve this goal, there have been several approaches for cancellation, each of which is combined with digital-domain cancellation for a higher gain. In this paper, we implement two self-interference cancellation techniques and integrate them with a software defined radio-based wireless communication testbed. Two cancellation techniques (antenna cancellation and noise subtraction) are implemented and the cancellation gain is measured via real experiments. The results show that the gain of the antenna placement technique highly depends on the placement of a receiving antenna and the highest gain is achieved at the expected point, and we show that combining the noise subtraction circuit with the antenna placement further improves the cancellation gain.
Full-duplex communication can enhance wireless capacity by enabling simultaneous transmission and reception of the signals on the same frequency spectrum. Such a benefit, however, is only achieved when strong self-interference is well canceled below a sufficient level. To achieve this goal, there have been several approaches for cancellation, each of which is combined with digital-domain cancellation for a higher gain. In this paper, we implement two self-interference cancellation techniques and integrate them with a software defined radio-based wireless communication testbed. Two cancellation techniques (antenna cancellation and noise subtraction) are implemented and the cancellation gain is measured via real experiments. The results show that the gain of the antenna placement technique highly depends on the placement of a receiving antenna and the highest gain is achieved at the expected point, and we show that combining the noise subtraction circuit with the antenna placement further improves the cancellation gain.
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문제 정의
본 논문에서는 전이중 통신을 위해 필요한 자기간섭 제거 기법을 구현하고 실험을 통해 성능을 측정하였다. 구현된 기법은 전송 안테나와 수신 안테나의 배치를 조절하여 간섭을 제거시키는 기법과 아날로그 RF 시그널 레벨에서 노이즈를 제거하는 기법이다.
본 논문에서는 전이중 통신을 위해 필요한 자기간섭 제거 기법을 실제로 구현하고 실험을 통해 제거 성능을 측정한다. 구현된 기법은 전송 안테나와 수신 안테나의 배치를 조절하여 송수신 신호간 위상차를 통해 간섭을 제거시키는 기법과 아날로그 RF 시그널 레벨에서 노이즈를 제거하는 회로로 구성된다.
이 장에서는 앞에서 구현한 자기 간섭제거 기법을 적용한 시스템 동작을 통해 기법의 정상적인 적용이 이루어졌는지에 대한 여부를 알아본다. 실험에서는 전송 노드가 신호를 송신하고 이를 수신하였을 때 간섭 제거 기법이 적용되기 전의 수신 신호 세기와 기법이 적용된 후의 신호 세기를 비교하여 자기간섭 제거게인을 dB 단위로 측정한다.
제안 방법
본 논문에서는 전이중 통신을 위해 필요한 자기간섭 제거 기법을 실제로 구현하고 실험을 통해 제거 성능을 측정한다. 구현된 기법은 전송 안테나와 수신 안테나의 배치를 조절하여 송수신 신호간 위상차를 통해 간섭을 제거시키는 기법과 아날로그 RF 시그널 레벨에서 노이즈를 제거하는 회로로 구성된다. 이 두 기법을 구현하고 이를 SDR(Software-Defined Radio) 기반의 송수신 시스템과 결합하여 최종 테스트베드를 구성한다.
첫 번째 안테나 배치를 통한 기법이 동작 시 안테나 위치에 따른 자기간섭 제거 게인의 변화를 측정을 통해 보인다. 두 번째 기법에서는 아날로그 신호 레벨에서 노이즈 제거를 위해서 인터실사의 QHx220 칩[7]을 이용한 아날로그 RF 회로를 구현한다. 이 두 기법이 동시에 적용되었을 때 최종적으로 약 57dB의 제거 게인을 보인다.
그림 3의 시스템 구성도에서 위를 적용시켜 보면 QHx220에서는 RX 안테나에서 받은 신호 중에서 원래 전송 신호, 즉 TX 안테나에서 나간 신호를 수신 신호에서 빼게 된다. 본 구현 시스템에서는 QHx220에서 기본 적으로 사용하는 신호 증폭게인을 사용하고 이에 대한 별도의 추가적인 제어를 수행하지 않았다.
이 장에서는 앞에서 구현한 자기 간섭제거 기법을 적용한 시스템 동작을 통해 기법의 정상적인 적용이 이루어졌는지에 대한 여부를 알아본다. 실험에서는 전송 노드가 신호를 송신하고 이를 수신하였을 때 간섭 제거 기법이 적용되기 전의 수신 신호 세기와 기법이 적용된 후의 신호 세기를 비교하여 자기간섭 제거게인을 dB 단위로 측정한다. 실험에서 TX1 안테나와 TX2 안테나 간 거리(L)는 30cm, 송수신 주파수(f)는 2.
구현된 기법은 전송 안테나와 수신 안테나의 배치를 조절하여 간섭을 제거시키는 기법과 아날로그 RF 시그널 레벨에서 노이즈를 제거하는 기법이다. 이 두 기법을 구현하고 이를 SDR 기반의 송수신 시스템과 결합하여 최종 테스트베드를 구성하고 간섭 제거 성능을 실험하였다. 안테나 배치를 통한 기법은 계산을 통해 산출한 안테나 위치에서 가장 큰 제거 게인을 얻는 것을 확인할 수 있었다.
구현된 기법은 전송 안테나와 수신 안테나의 배치를 조절하여 송수신 신호간 위상차를 통해 간섭을 제거시키는 기법과 아날로그 RF 시그널 레벨에서 노이즈를 제거하는 회로로 구성된다. 이 두 기법을 구현하고 이를 SDR(Software-Defined Radio) 기반의 송수신 시스템과 결합하여 최종 테스트베드를 구성한다. 첫 번째 안테나 배치를 통한 기법이 동작 시 안테나 위치에 따른 자기간섭 제거 게인의 변화를 측정을 통해 보인다.
대상 데이터
실험에서는 전송 노드가 신호를 송신하고 이를 수신하였을 때 간섭 제거 기법이 적용되기 전의 수신 신호 세기와 기법이 적용된 후의 신호 세기를 비교하여 자기간섭 제거게인을 dB 단위로 측정한다. 실험에서 TX1 안테나와 TX2 안테나 간 거리(L)는 30cm, 송수신 주파수(f)는 2.4GHz를 사용한다. 이를 식 (3)과 (5)에 대입해 TX1 안테나와 RX 안테나 사이의 최적 거리를 계산하면 11.
이론/모형
시스템은 두 개의 통신 노드로 구성되고, 각 노드는 동일 주파수 채널에서 신호 송수신을 수행한다. 통신 신호의 송수신은 Ettus USRP(Universal Software Radio Peripheral) N210[8]을 사용하고, 신호의 생성 및 해석은 USRP와 연결된 PC에서 랩뷰 소프트웨어를 이용한다. 이 때, 각 노드는 2대의 USRP 장치를 이용하여 송신과 수신을 각각 수행하도록 한다.
성능/효과
두 기법이 모두 적용되었을 때는 안테나 배치 기법만을 적용 했을 때보다 모든 거리에서 제거 효과가 향상됨을 볼 수 있고, 안테나 배치 기법경우와 마찬가지로 TX1 안테나와 RX 안테나 사이의 거리가 12cm일 때 최적의 자기간섭제거 게인을 얻는 것을 보인다. 이 때, 약 57.
안테나 배치를 통한 기법은 계산을 통해 산출한 안테나 위치에서 가장 큰 제거 게인을 얻는 것을 확인할 수 있었다. 또, 두 번째 기법이 복합적으로 사용되었을 때 추가적인 게인을 얻을 수 있음을 보였다.
이 두 기법을 구현하고 이를 SDR 기반의 송수신 시스템과 결합하여 최종 테스트베드를 구성하고 간섭 제거 성능을 실험하였다. 안테나 배치를 통한 기법은 계산을 통해 산출한 안테나 위치에서 가장 큰 제거 게인을 얻는 것을 확인할 수 있었다. 또, 두 번째 기법이 복합적으로 사용되었을 때 추가적인 게인을 얻을 수 있음을 보였다.
두 기법이 모두 적용되었을 때는 안테나 배치 기법만을 적용 했을 때보다 모든 거리에서 제거 효과가 향상됨을 볼 수 있고, 안테나 배치 기법경우와 마찬가지로 TX1 안테나와 RX 안테나 사이의 거리가 12cm일 때 최적의 자기간섭제거 게인을 얻는 것을 보인다. 이 때, 약 57.3dB의 게인을 달성하여 안테나 배치 기법만을 적용했을 때보다 추가적으로 약 3.7dB의 게인이 더 확보됨을 확인할 수 있다. 이는 자기간섭이 추가적으로 절반 미만으로 줄어드는 것으로, 자기간섭 제거기법이 복합적으로 사용될 경우 더 큰 효율을 얻는 것을 말해준다.
9배 향상되는 것을 볼 수 있다. 이를 통해 자기간섭 제거 게인이 전이중 시스템의 성능에 매우 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전이중 통신의 문제점은 무엇인가?
하지만, 전이중 통신은 노드가 수신하는 신호에 자신이 전송하는 신호가 섞여 들어와 간섭으로 작용하는 심각한 자기간섭(self-interference) 문제를 갖는다. 그림 1은 이러한 문제를 도시하고 있다.
본 논문에서 구현하는 전이중 통신을 위해 필요한 자기간섭 제거 기법은 어떻게 구성되는가?
본 논문에서는 전이중 통신을 위해 필요한 자기간섭 제거 기법을 실제로 구현하고 실험을 통해 제거 성능을 측정한다. 구현된 기법은 전송 안테나와 수신 안테나의 배치를 조절하여 송수신 신호간 위상차를 통해 간섭을 제거시키는 기법과 아날로그 RF 시그널 레벨에서 노이즈를 제거하는 회로로 구성된다. 이 두 기법을 구현하고 이를 SDR(Software-Defined Radio) 기반의 송수신 시스템과 결합하여 최종 테스트베드를 구성한다.
전이중 통신의 장점은 무엇인가?
이러한 전송속도 향상을 달성할 방법으로써 전송 대역폭을 대폭 확대하는 방법, MIMO 통신의 안테나 수를 증가시키는 방법 등이 다양하게 고려되고 있다. 한편, 과거의 통신 방식은 하향링크와 상향링크가 서로 다른 무선자원(타임슬롯 또는 주파수)을 사용하는 데 반해, 상하향링크 전송을 동시에 같은 주파수 채널에서 수행하여 동일 대역폭에서 전송 속도를 최대 2배 증가시킬 수 있는 전이중 통신(single-channel full-duplex communication)이 최근에 주목을 받고 있고, 5G 또는 그 다음 세대의 새로운 후보기술 중 하나로 언급되고 있다.
참고문헌 (8)
A. Goldsmith, Wireless Communications, 1st ed., Cambridge University Press, 2005.
J. I. Choi, M. Jain, K. Srinivasan, P. Levis, and S. Katti, "Achieving single channel, full duplex wireless communication," in Proc. of ACM MobiCom,pp. 1-12, 2010.
E. Aryafar, M. A. Khojastepour, K. Sundaresan, S. Rangarajan, and M. Chiang, "MIDU: enabling MIMO full duplex," in Proc. of ACM MobiCom, pp. 257-268, 2012.
M. Jain et al., "Practical, real-time, full duplex wireless," in Proc. of ACM MobiCom, pp. 301-312, 2011.
D. Bharadia, E. McMilin, and S. Katti, "Full duplex radios," in Proc. of ACM SIGCOMM, pp. 375-386, 2013.
M. Duarte, C. Dick, and A. Sabharwal, "Experiment-driven characterization of full-duplex wireless systems," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 11, no. 12, pp. 4296-4307, Dec. 2012.
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