[논문]LTE-TDD 2×2 MIMO 양방향 RF 하이브리드 빔포밍 시스템 설계 및 구현

이광석; 김동현; 오혁준

doi:10.9723/jksiis.2018.23.4.023

LTE-TDD 2×2 MIMO 양방향 RF 하이브리드 빔포밍 시스템 설계 및 구현
Design and Implementation of LTE-TDD 2×2 MIMO Bidirectional RF Hybrid Beamforming System 원문보기

한국산업정보학회논문지 = Journal of the Korea Industrial Information Systems Research, v.23 no.4, 2018년, pp.23 - 31

이광석 (광운대학교 전자통신공학과) , 김동현 (국방과학연구소 제2본부) , 오혁준 (광운대학교 전자통신공학과)

초록
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본 논문은 1.7 GHz 주파수 대역에서 HD 비디오를 무선으로 송수신하는 2T-2R(2 Transmitter-2 Receiver) 시스템을 설계 및 구현하였다. 해당 시스템은 HDL로 설계한 LTE-TDD 송수신 모뎀을 USRP RIO에 내장된 Xilinx Kintex-7칩에 구현하여 USRP RIO를 베이스밴드로 사용하였으며, USRP RIO에서 송수신되는 신호는 자체 설계한 1.7 GHz RF송수신 모듈로 업 다운 변환을 수행한 후 자체 설계한 2x9 서브 배열 안테나를 통해 최종적으로 HD 비디오 데이터를 통신하게 된다. USRP RIO와 Host PC의 통신방식은 데이터 송수신시 발생되는 지연을 최소화하기 위해　PCI express(Peripheral Component Intercon nect express)x4를 사용하였다. 구현한 시스템은 EVM 32 dBc의 기본 성능을 보였으며, 실험환경 내 어디서든 HD 비디오를 성공적으로 송수신하였다. 본 논문에서 제안하는 내용은 6 GHz 이하의 차세대 5G 이동통신 시스템뿐만 아니라 추후 밀리미터 대역을 사용하는 광대역 5G 이동통신 시스템으로의 활용이 가능하다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presented the implementation and design of the 2T-2R wireless HD video streaming systems over 1.7 GHz frequency band using 3GPP LTE-TDD standard on NI USRP RIO SDR platform. The baseband of the system used USRP RIO that are stored in Xilinx Kintex-7 chip to implement LTE-TDD transceiver modem, the signal that are transmitted from USRP RIO up or down converts to 1.7 GHz by using self-designed 1.7 GHz RF transceiver modules and it is finally communicated HD video data through self-designed 2x9 sub array antennas. It is that communication method between USRP RIO and Host PC use PCI express x4 to minimize delay of data to transmit and receive. The implemented system show high error vector magnitude performance above 32 dBc and to transmit and receive HD video in experiment environment anywhere. The proposed hybrid beam forming system could be used not only in the future 5G mobile communication systems under 6 GHz frequency band but also in the systems over 6 GHz frequency band like ones in mmWave frequency bands.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

3GPP LTE/LTE-A 시스템은 기본적으로 동기 획득을 목적으로 5 msec의 주기로 PSS/SSS/ PBCH 전송 한다. 본 논문에서는 PSS/SSS를 일종의 위에서 설명한 파일럿으로 활용하고, 이를 기반으로 기지국 ID를 도출하고 마지막으로 PBCH 내의 MIB 정보를 활용하여 빔 ID를 파악할 수 있도록 접근하는 설계하여 현재 3GPP LTE/LTE-A 시스템을 기반으로 하는 하이브리드 빔포밍 시스템의 설계가 가능하도록 하였다[4].
본 논문은 이와 같은 추세에 맞추어 1.7 GHz 대역의 주파수 대역에서 현재 전 세계에서 주파수 활용률이 높아 각광받고 있는 LTE-TDD(Long Term Evolution-Time Division Duplexing) 통신 방식으로 HD 비디오 데이터를 송수신하는 시스템을 하이브리드 빔포밍 기반으로 설계하고 구현하는 내용을 설명하고 있다.
원래 캘리브레이션은 안테나를 포함하는 총 18개의 송수신 경로에서 이득, 위상, 시간지연이 동일하도록 맞춰주는 과정을 의미하며 제대로 캘리브레이션이 수행되지 않는 경우 빔포밍 역시 제대로 동작하지 않는다. 본 연구에서는 안테나 를 제외하고 그 전 단까지를 캘리브레이션 하는 것을 목표로 하였다. 본 안테나 캘리브레이션을 수행하는 구조는 Fig.

가설 설정

단말이 이동하는 환경에서는 빔 추적이 필수적이다. 빔 추적을 수행할 때는 단말이 이동하더라도 최적의 빔이 현재의 빔과 상관관계가 많다는 가정 하에 수행한다.

제안 방법

2x2 MIMO를 위한 다중 경로 확보를 위하여 송신부 2x9 능동위상배열안테나 중 하나는 수신부와 LOS 방향으로 설정하고, 다른 하나는 LOS 방향과 90도를 이루는 벽면을 향하도록 설정하였다.
이러한 제안하는 추적 알고리즘의 구현을 위하여 본 논문에서는 3GPP LTE/LTE-A의 DL DMRS[4]를 사용하였다. 4개의 빔을 구분하기 위하여 DL DMRS를 CDM으로 인코딩한 후 송신하도록 설계하여 시스템을 구현하였다.
8평 크기의 사무실 안에 책상, 의자 등의 장애물이 중간에 존재하는 환경에서 송신부 출력을 조절하여 수신부와의 거리가 통달거리에 근접하도록 하였다. 송신부라 할지라도 빔 탐색 및 추적을 위하여 앞에서 설명한 LTE TDD 프레임 구조에 기반하여 상향링크를 통한 제어 정보를 수신이 가능하도록 하였다.
LTE 기반의 베이스밴드의 기능을 지원하기 위한 채널 코딩은 code rate를 1/2, 1/3, 2/3을 지원하도록 하였으며 모듈레이션은 QPSK(Quadra ture Phase Shift Keying), 16/64 QAM(Quadrature Amplitude Modulation)으로 구성하였다.
동시에 Alamouti code에 기반한 SFBC(Space-Frequency Block Codes)를 지원하도록 구현하였다. MIM O-SM(Spatial Multiplexing) 지원을 위하여 QR decomposition 기반의 일종의 QRM(QR decomposition with M-algorithm) 알고리즘으로 sphere decoding 방식에 근간한 MIMO detection 블록을 구현하였다.
구현에 앞서 전체 LTE 유사구조의 베이스밴드 모뎀을 위한 시뮬레이터를 개발하였다. Fig.
능동위상배열안테나의 특성을 파악하기 위하여 40도 간격으로 9개의 빔을 만들어 방사패턴을 측정하였다. Fig.
MIMO 코딩/디코딩 블록은 본 과제의 가장 핵심적인 블록으로써 총 16가지 precoding matrix를 지원하며 수신부의 경우 MRC(Maximum Ratio Combining)를 지원하도록 되어 있다. 동시에 Alamouti code에 기반한 SFBC(Space-Frequency Block Codes)를 지원하도록 구현하였다. MIM O-SM(Spatial Multiplexing) 지원을 위하여 QR decomposition 기반의 일종의 QRM(QR decomposition with M-algorithm) 알고리즘으로 sphere decoding 방식에 근간한 MIMO detection 블록을 구현하였다.
모뎀 설계를 위해 선행되어야 하는 단계로 시스템에 대한 시스템 사양을 파악하고 전체 시스템에서의 요구되는 성능(Performance)을 파악한다. 본 연구에서는 RF(Radio Frequency)와 BBA (Baseband Analog) 부분을 제외한 모든 부분에 대해 하이레벨 모델링을 통해 시스템을 구성하였 다.
위의 블록도와 같이 송신 신호가 전송되면 캘리브레이션을 수행하고자 하는 안테나 경로의 신호를 다시 되먹임하여 기저대역 디지털 신호로 변환한다. 변환된 신호를 통해 각 경로의 시간지연, 이득, 위상을 측정할 수 있고 이 값들을 기준 경로와 동일한 값이 되도록 캘리브레이션을 수행한다. 위의 구조를 통해서 디지털 신호처리를 이용한 각 경로별 캘리브레이션을 수행할 수 있다.
본 논문에서 제안하는 3GPP LTE/LTE-A 기반 2x2 MIMO 지원이 가능한 하이브리드 빔 포밍 시스템의 성능 평가를 위하여 다중 경로의 확보가 상대적으로 쉬운 실내에 Fig. 14와 같은 실험 환경을 꾸며 시험하였다.
본 연구에서 LTE 기반 베이스밴드 시스템에서 검증하고자 하는 주요 기능은 비트와 데이터 생성, 채널 코딩, 모듈레이션 그리고 MIMO 다중 안테나 기술이다.
모뎀 설계를 위해 선행되어야 하는 단계로 시스템에 대한 시스템 사양을 파악하고 전체 시스템에서의 요구되는 성능(Performance)을 파악한다. 본 연구에서는 RF(Radio Frequency)와 BBA (Baseband Analog) 부분을 제외한 모든 부분에 대해 하이레벨 모델링을 통해 시스템을 구성하였 다. 이 과정을 통하여 전체 시스템의 구조와 규격을 잡고, 각종 세부 모듈에 대한 알고리즘을 최적 설계하며, 실제 구현을 고려한 최종 사양을 결정하였다.
빔 탐색을 위한 PSS/SSS/PBCH의 전송 주기는 사용하는 총 빔 패턴의 개수 및 초기 네크워크 진입을 위한 최소 요구시간에 따라 가변적으로 설정할 수 있도록 하였다. 본 연구에서는 초기 동기 단계에서는 전체 빔 패턴 수보다 적은 수의 빔 패턴만을 탐색할 수 있도록 하고 추후 빔 추적 단 계에서 정밀한 최적 빔 선택 및 추적이 가능하도록 하였다.
빔 탐색을 위한 PSS/SSS/PBCH의 전송 주기는 사용하는 총 빔 패턴의 개수 및 초기 네크워크 진입을 위한 최소 요구시간에 따라 가변적으로 설정할 수 있도록 하였다. 본 연구에서는 초기 동기 단계에서는 전체 빔 패턴 수보다 적은 수의 빔 패턴만을 탐색할 수 있도록 하고 추후 빔 추적 단 계에서 정밀한 최적 빔 선택 및 추적이 가능하도록 하였다.
빔탐색 알고리즘은 TDD 상황을 고려하여 설계되었다. TDD 상황에서는 양방향 무선채널이 동일하다는 특징이 있다.
송신단에서는 antenna selection에 기반한 송신 이득을 달성할 수 있으며, 수신단에서는 2개의 다중 안테나 diversity 이득을 얻을 수 있도록 MRC(Maximum Ratio Combining) 수신기를 구성하였다.
8평 크기의 사무실 안에 책상, 의자 등의 장애물이 중간에 존재하는 환경에서 송신부 출력을 조절하여 수신부와의 거리가 통달거리에 근접하도록 하였다. 송신부라 할지라도 빔 탐색 및 추적을 위하여 앞에서 설명한 LTE TDD 프레임 구조에 기반하여 상향링크를 통한 제어 정보를 수신이 가능하도록 하였다. 하향링크에는 동일한 LTE TDD 프레임 구조에 기반한 HD급 동영상을 송신한다.
본 연구에서는 RF(Radio Frequency)와 BBA (Baseband Analog) 부분을 제외한 모든 부분에 대해 하이레벨 모델링을 통해 시스템을 구성하였 다. 이 과정을 통하여 전체 시스템의 구조와 규격을 잡고, 각종 세부 모듈에 대한 알고리즘을 최적 설계하며, 실제 구현을 고려한 최종 사양을 결정하였다.
두 번째는 고정 소수점 시뮬레이터로서 구현될 시스템의 성능 예측과 동작 검증을 위한 기준 모델이 된다. 이 단계를 통하여 실제 하드웨어로 구현되었을 때의 타이밍, 블록간 인터페이스, 하드웨어 리소스 예측 등이 가능하며 특히 모뎀의 게이트 레벨 설계에 대한 검증 및 디버깅 툴을 제공 한다. 즉, 고정 소수점 모델은 실제 구현될 시스템과 가상의 동일 시스템으로 생각할 수 있으며 구현을 위한 레퍼런스 모델이 된다.
SSS 추출에 앞서 PSS를 통해 5ms 타이밍을 알게 되었기에 PSS 신호에 대비하여 고정 오프셋 위치에 존재하는 SSS의 위치를 보다 자세히 알게 된다. 이를 기반으로 프레임구조상 서브프레임 0번과 서브프레임 1번의 마지막 심볼에 위치하는 SSS를 상관관계를 통해 추출해내는 것이다.

대상 데이터

3은 본 연구에서 사용한 빔포밍 안테나이다. 9개의 다이폴 패치 안테나로 구성되어 있으며, 내부에 위상전이기 및 가변 증폭기를 포함하고 있는 능동 위상 배열 안테나이다. 2x2 MIMO 지원을 위하여 이중 구조로 구성되어 있다.
구체적으로 데이터를 전송하는 시간 중간 중간에 빔추적을 위한 시간을 할당하며 이 시간에는 기지국이 현재 서비스되고 있는 빔 이외에 상하 좌우 4개 빔으로 파일럿을 전송한다. 단말기 역시 4개의 서로 다른 빔으로 파일럿을 수신하여 가장 SNR(Signal to Noise Ratio)이 높게 측정되는 빔을 선택한다.

이론/모형

이러한 제안하는 추적 알고리즘의 구현을 위하여 본 논문에서는 3GPP LTE/LTE-A의 DL DMRS[4]를 사용하였다. 4개의 빔을 구분하기 위하여 DL DMRS를 CDM으로 인코딩한 후 송신하도록 설계하여 시스템을 구현하였다.

성능/효과

본 논문에서는 1.7 GHz의 주파수 대역에서 3G PP LTE 시스템을 기반으로 한 하이브리드 빔 포밍 통신시스템을 구현하여, 안정적인 고속의 양방향 HD 비디오를 스트리밍 할 수 있을 정도로 높은 EVM 성능을 보여주는 것이 가능함을 보였다. 추후 논문에는 현재 시스템에서 구현되지 않은 파워 앰프와 빔포밍 기술을 적용한 연구 결과를 게재할 것 이다.
만약 되먹임 경로를 시스템에 통합하여 설계할 수 있다면 서비스 중에도 지속적으로 캘리브레이션을 수행할 수 있어 항상 정확한 빔포밍을 수행 할 수 있다. 본 연구에서는 3GGP LTE/LTE-A의 CRS[4] 신호를 사용하였으며, 실제 실험을 통해 캘리브레이션이 정상적으로 수행됨을 확인하였다.
설계된 능동위상배열안테나의 실제 측정 결과, 1.76GHz 주파수 대역에서 25.9dB의 이득, 38.8도의 빔 폭, 그리고 –9.5dB의 SRR 값을 가짐을 확인하였다.
15에서 보는 바와 같이 QPSK변조 방식으로 통신이 가능하던 환경에서 16QAM으로 고용량 HD 동영상을 2개의 스트림으로 문제없이 부드럽게 전송됨을 확인할 수 있다. 수신 성상도를 볼 때 약 25dBc에 준하는 EVM을 얻을 수 있었다.
시험 결과 Fig. 15에서 보는 바와 같이 QPSK변조 방식으로 통신이 가능하던 환경에서 16QAM으로 고용량 HD 동영상을 2개의 스트림으로 문제없이 부드럽게 전송됨을 확인할 수 있다. 수신 성상도를 볼 때 약 25dBc에 준하는 EVM을 얻을 수 있었다.
우선 자체 제작 능동위상배열안테나부, 1.7 GHz RF부 및 USRP-RIO[7] 등을 통합한 전체 시스템의 기본 성능 파악을 위하여 케이블로 송신부와 수신부를 연결한 후, 수신부의 성상도를 통한 EVM[8]을 측정한 결과 최대 32dBc를 얻었다.

후속연구

본 연구를 통해 1.7 GHz 및 그 이상의 밀리미터파 대역에서도 능동위상배열안테나에 기반한 하이브리드 빔포밍 시스템이 실제 이동통신 분야에 적용 가능할 수 있음을 기대할 수 있게 되었다. 따라서 해당 시스템과 같은 능동위상배열안테나 관련 기술 연구를 통해 핵심 기술을 확보한다면, 경쟁력 있는 5G 원천 기술을 확보할 수 있는 기대효과를 얻을 수 있다.
7 GHz의 주파수 대역에서 3G PP LTE 시스템을 기반으로 한 하이브리드 빔 포밍 통신시스템을 구현하여, 안정적인 고속의 양방향 HD 비디오를 스트리밍 할 수 있을 정도로 높은 EVM 성능을 보여주는 것이 가능함을 보였다. 추후 논문에는 현재 시스템에서 구현되지 않은 파워 앰프와 빔포밍 기술을 적용한 연구 결과를 게재할 것 이다. 현재의 시스템에서도 뛰어난 성능을 보여주었기에 추후의 연구에서 통합된 시스템은 통신거리 증대와 성능 향상이 기대된다.
추후 논문에는 현재 시스템에서 구현되지 않은 파워 앰프와 빔포밍 기술을 적용한 연구 결과를 게재할 것 이다. 현재의 시스템에서도 뛰어난 성능을 보여주었기에 추후의 연구에서 통합된 시스템은 통신거리 증대와 성능 향상이 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	캘리브레이션은 무엇을 의미하는가?	안테나 캘리브레이션 알고리즘은 송신 안테나 캘리브레이션과 수신 안테나 캘리브레이션으로 나뉜다. 원래 캘리브레이션은 안테나를 포함하는 총 18개의 송수신 경로에서 이득, 위상, 시간지연이 동일하도록 맞춰주는 과정을 의미하며 제대로 캘리브레이션이 수행되지 않는 경우 빔포밍 역시 제대로 동작하지 않는다. 본 연구에서는 안테나 를 제외하고 그 전 단까지를 캘리브레이션 하는 것을 목표로 하였다.
	안테나 캘리브레이션 알고리즘은 무엇으로 나뉘는가?	안테나 캘리브레이션 알고리즘은 송신 안테나 캘리브레이션과 수신 안테나 캘리브레이션으로 나뉜다. 원래 캘리브레이션은 안테나를 포함하는 총 18개의 송수신 경로에서 이득, 위상, 시간지연이 동일하도록 맞춰주는 과정을 의미하며 제대로 캘리브레이션이 수행되지 않는 경우 빔포밍 역시 제대로 동작하지 않는다.
	타이밍 복구는 어떤 환경에서 더욱 세심하게 설계되어야 하는가?	타이밍 복구는 시스템의 동기 획득과 관련이 있는 또 다른 중요한 부분으로, 이 블록 역시 일반 통신 시스템의 필수 기능 중의 하나이다. 특히, 무선 환경과 같은 채널 상태가 상대적으로 변화가 심하고 좋지 않은 환경 하에선 더욱 세심하게 설계되어야 한다.

참고문헌 (10)

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Liu D, Wang L, Chen Y, Elkashlan M, Wong K, Schober R, and Hanzo L "Use Association in 5G Networks: A Survey and an Outlook," IEEE Communications Surveys and Tutorials, Issue 99, pp. 1-27, 2016.
3GPP Spec Series 36.200 Series. [Online]. Available : http://www.3gpp.org
Park S, Kim S, Son J, and Shin H "Design of 4x4 Butler Matrix Based 28GHz Switching Beam Forming Antenna Systems," The Journal of KIEES, Vol. 26, No. 10, pp. 876-884, 2015.
Deepa T and Kumar R, "Performance of Comparison Metrics on M-QAM OFDM Systems with High Power Amplifier," 2012 World Congress on Information and Communication Technologies, pp. 909-914, 2012.
NI USRP RIO Page. [Online]. Available : http://www.ni.com
Wang Y, Wang J, Yi K, and Tian B, "PAPR Reduction of OFDM Signals with Minimized EVM via Semidefinite Relaxation," IEEE Trans. on Vehicular Technology, Vol. 60, Issue. 9, pp. 4662-4667, 2011.

상세보기
Jung M, Lee J, and Jung T, “High Performance Mobile Transmission Rate and Physical Layer Linear Error Correction Performance Verification,” Journal of KSIIS, Vol. 22, No. 3, pp. 19-26, 2017.
Won H, "Channel Selective Relay-based Transmission System for Broadband Wireless Communications," Journal of KSIIS, Vol. 14, No. 4, pp. 8-15, 2009.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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