[논문]소프트웨어 정의 라디오를 이용한 전이중 통신 시스템의 연구

김성환; 이웅섭; 류종열; 반태원

doi:10.6109/jkiice.2020.24.2.290

소프트웨어 정의 라디오를 이용한 전이중 통신 시스템의 연구
Studying Full-duplex Communication System using Software-defined Radio 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.24 no.2, 2020년, pp.290 - 296

김성환 (Department of Information & Communications Engineering, Gyeongsang National University) , 이웅섭 (Department of Information & Communications Engineering, Gyeongsang National University) , 류종열 (Department of Information & Communications Engineering, Gyeongsang National University) , 반태원 (Department of Information & Communications Engineering, Gyeongsang National University)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 이동성이 전이중 라디오의 성능에 미치는 영향을 분석한다. 이를 위해 배터리로 전원 공급이 가능하여 이동환경에서 동작이 가능한 소프트웨어 정의 라디오를 사용하여 전이중 라디오 원형을 구현하였다. 또한 다중 안테나 기반 전이중 라디오와 서큘레이터기반 전이중 라디오를 모두 고려하여 두 경우의 간섭 제거 성능을 비교하였다. 끝으로 이동성이 전이중 라디오 시스템의 자기간섭제거 성능에 부정적인 영향을 미침을 보이고, 자기간섭제거 필터의 갱신주기가 성능에 미치는 영향을 분석한다. 특히 갱신주기를 약 1000배 줄였을 때, 자기 간섭의 전력이 서큘레이터 기반 전이중 라디오는 5.7dB 두 안테나 기반 전이중 라디오는 3.1dB 감소하는 결과를 얻었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we analyze the effect of mobility on the performance of full-duplex radio. For this, we implement a full-duplex radio prototype using a software-defined radio that is powered by a battery and can thus function in mobile environments. In addition, we compare the performance of self-interference cancellation schemes for two cases considering multi-antenna based full duplex radio and circulator based full duplex radio, respectively. Finally, we show a negative effect of mobility on the self-interference cancellation performance of the full-duplex radio system, and analyze the effect of the update period of the self-interference cancellation filter on the performance. In particular, when the update period is reduced by about 1000 times, the power of self-interference is reduced by 5.7dB for circulator-based full-duplex radio and 3.1dB for both antenna-based full-duplex radio.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1 Two-antenna based full duplex radio prototype
그림 Fig. 2 Circulator-based full duplex system
그림 Fig. 3 Wiener filter structure for cancelling self-interference
그림 Fig. 4 Power spectral density of transmitted, received, and residual signals.
표 Table. 1 System parameters
그림 Fig. 5 The moving average-power of residual signals of circulated-based and two-antenna-based full duplex systems while terminals are fixed or moving
그림 Fig. 6 The power of residual signal for varying update period of circulator-based system.
표 Table. 2 The standard deviation of moving average power of residual signals for various schemes.
그림 Fig. 7 The power of residual signal for varying update period of ciculator-based system.

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

만약 주기적으로 필터의 파라미터를 갱신할 경우 성능이 얼마나 개선되는지를 알아보고자 한다. 이를 위해 SDR 로부터 측정한 수신신호를 저장한 후 컴퓨터상에서 주기적으로 필터를 갱신하면서 간섭을 제거하는 시뮬레이션을 수행하였다.
본 논문에서는 배터리로 전원 공급이 가능하여 이동환경에서 실험이 가능한 소프트웨어 정의 라디오를 사용하여 전이 중 라디오를 구현하였다. 또한 다중안테나 기반 전이 중 라디오와 서큘레이터기반 전이 중 라디오를 모두 고려하여 두 경우의 성능을 비교하였다.
본 연구에서는 디지털 영역에서 간섭 제거를 수행한다. 기저대역 간섭 제거기법으로 위너 필터를 사용한다.

제안 방법

실험에서는 디지털 영역에서만 자기간섭 제거를 수행하며, 이를 위한 위너 필터의 변수 개수는 6개 () 로 한다. SDR 장비에서 측정한 복소 기저대역 신호의 표본을 호스트 컴퓨터로 전송하며, 호스트 컴퓨터에서는 오픈소스 소프트웨어인 GNURADIO 라이브러리와 자체 제작한 위너필터 블록을 활용하여 자기간섭 제거를 수행한다.
두 안테나 기반 전이 중 시스템과 서큘레이터 기반 전이 중 라디오 시스템을 본 논문에서 고려한다. 전 이중라디오의 자기간섭 제거 성능을 전이중라디오의 성능이라고 보며, 수신한 신호의 디코딩 성능은 측정하지 않았다.
첫째, 배터리로 전원 공급이 가능하여 이동환경에서 실험이 가능한 SDR을 사용하여 전이 중 라디오의 원형을 구현하였다. 둘째, 다중안테나 기반 전이 중 라디오와 서큘레이터 기반 전이 중 라디오를 모두 고려하여 두 경우의 성능을 비교하였다. 셋째, 이동성이 전이 중 라디오 시스템의 자기 간섭 제거 성능에 부정적인 영향을 미침을 보였고, 걷기 속도의 이동상황에서 자기간섭제거 필터의 갱신 주기가 성능에 미치는 영향을 분석하였다.
전이 중 라디오를 구현하였다. 또한 다중안테나 기반 전이 중 라디오와 서큘레이터기반 전이 중 라디오를 모두 고려하여 두 경우의 성능을 비교하였다. 특히 이동성이 전이 중 라디오 시스템의 자기간섭제거 성능에 부정적인 영향을 미침을 보였다.
7dB 컸다. 또한 이동상황에서 자기 간섭 제거 필터의 갱신주기가 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 한 예로, 서큘레이터 기반 시스템의 이동상황에서 갱신 주기가 0.
둘째, 다중안테나 기반 전이 중 라디오와 서큘레이터 기반 전이 중 라디오를 모두 고려하여 두 경우의 성능을 비교하였다. 셋째, 이동성이 전이 중 라디오 시스템의 자기 간섭 제거 성능에 부정적인 영향을 미침을 보였고, 걷기 속도의 이동상황에서 자기간섭제거 필터의 갱신 주기가 성능에 미치는 영향을 분석하였다.
E312는 배터리로 운용되어 이동 가능하며 2 채널을 지원하여 2×2 다중입출력안테나 시스템에 활용 가능하다. 실험에서는 디지털 영역에서만 자기간섭 제거를 수행하며, 이를 위한 위너 필터의 변수 개수는 6개 () 로 한다. SDR 장비에서 측정한 복소 기저대역 신호의 표본을 호스트 컴퓨터로 전송하며, 호스트 컴퓨터에서는 오픈소스 소프트웨어인 GNURADIO 라이브러리와 자체 제작한 위너필터 블록을 활용하여 자기간섭 제거를 수행한다.
만약 주기적으로 필터의 파라미터를 갱신할 경우 성능이 얼마나 개선되는지를 알아보고자 한다. 이를 위해 SDR 로부터 측정한 수신신호를 저장한 후 컴퓨터상에서 주기적으로 필터를 갱신하면서 간섭을 제거하는 시뮬레이션을 수행하였다. 필터의 파라미터 값을 구하는데 에는 1600 샘플을 사용하였다.
본 논문이 기여하는 바는 다음과 같다. 첫째, 배터리로 전원 공급이 가능하여 이동환경에서 실험이 가능한 SDR을 사용하여 전이 중 라디오의 원형을 구현하였다. 둘째, 다중안테나 기반 전이 중 라디오와 서큘레이터 기반 전이 중 라디오를 모두 고려하여 두 경우의 성능을 비교하였다.

대상 데이터

시스템 변수는 표 1에 정리하였다. SDR 장비는 Ettus 사의 USRP E312를 사용한다. E312는 배터리로 운용되어 이동 가능하며 2 채널을 지원하여 2×2 다중입출력안테나 시스템에 활용 가능하다.
이를 위해 SDR 로부터 측정한 수신신호를 저장한 후 컴퓨터상에서 주기적으로 필터를 갱신하면서 간섭을 제거하는 시뮬레이션을 수행하였다. 필터의 파라미터 값을 구하는데 에는 1600 샘플을 사용하였다. 그 이유는 하나의 OFDM 프레임이 1600 샘플로 이루어져 있기 때문이다.

데이터처리

프로토콜의 성능을 분석하였다. 논문 [6]에서는 전이 중 라디오를 IEEE 802.11 이동체 표준에 고려하여 패킷 충돌 검출에 활용하였고 컴퓨터 시뮬레이션으로 성능을 검증하였다. 그러나 저자가 조사한 바에 의하면 현재까지 이동성이 전이 중 라디오의 성능에 미치는 영향을 실제 원형을 사용하여 진행한 연구는 없었다.

이론/모형

기저대역 간섭 제거기법으로 위너 필터를 사용한다. [7].

성능/효과

이 논문에서 구현한 원형은 단일 안테나에 서큘레이터를 연결하여 자기간섭을 약 15dB 줄였으며, 수신쪽 LNA (low noise amplifier) 이전에 아날로그 신호 영역에서 자기 간섭 제거를 수행하여 자기간섭을 추가로 45dB 줄였고, ADC (analog-to-digital convertor) 이후에 디지털 신호영역에서 한 번 더 자기간섭 제거를 수행하여 추가로 50dB를 줄였다. 결과적으로 자기간섭을 잡음 수순으로 줄였으며, 실내 환경에서 실제로 두 배에 가까운 수율 이득을 얻었다. 논문 [3]에서는 반이 중 통신 방식의 SDR (software defined radio) 장비 두 대를 이용하여 전이 중 통신 시스템 원형을 구현하였다.
또한 라디오의 위치가 고정 상황일 때에는 갱신 주기에 따른 잔여신호의 전력변화가 작음을 알 수 있다. 그러나 서큘레이터 기반 시스템이 이동하는 경우 갱신 주기가 최소일 때와 최대일 때 전력의 차이가 약 5.7 dB 이며, 두 안테나 기반 시스템이 이동하는 경우 약 3.1 dB인 것으로 나타났다. 즉 이동하는 상황에서 필터 파라미터의 갱신주기가 간섭제거 성능에 큰 영향을 미침을 알 수 있다.
다중안테나 기반 시스템은 고정인 상황에서 서큘레이터 기반 시스템에 비해 표준편차가 약 5배 이상 나는 것을 알 수 있으며, 이동 상황에서는 비슷한 표준편차 값을 갖는 것을 알 수 있다.
이 논문의 원형은 디지털 영역에서만 자기간섭을 제거하여 자기간섭을 27dB 줄였다. 또한 500kHz 대역에서 OFDM (orthogonal frequency division multiplexing)을 고려하여 4m 떨어진 거리에서 ^의 비트오류율을 달성하였다. 논문 [4] 에서는 두 개의 RF (radio frequency) 채널를 갖고 있는 하나의 SDR 장비를 이용하여 전이 중 라디오를 구현하였다.
4dB의 간섭을 줄였다. 또한 서큘레이터 기반 전이 중 라디오가 두 안테나 기반 전이 중 라디오 보다 잔여 간섭의 전력이 6.6dB 더 낮았다.
시스템에 대한 같은 성능을 나타낸다. 먼저 고정상황일 때와 이동상황 일 때의 잔여신호전력의 차이는 갱신 주기가 16.4초일 때 서큘레이터 기반 시스템은 6.7 dB, 두 안테나 기반 시스템은 2.9dB 였으며, 갱신주기가 0.016초일 때 서큘레이터 기반 시스템은 0.9 dB, 두 안테나 기반 시스템 역시 0.9dB 였다. 또한 라디오의 위치가 고정 상황일 때에는 갱신 주기에 따른 잔여신호의 전력변화가 작음을 알 수 있다.
11ac 물리계층 표준을 고려하였으며 반이 중 라디오 시스템과 같이 단일 안테나를 사용하는 조건에서 전이 중 라디오 원형을 구현하였다. 이 논문에서 구현한 원형은 단일 안테나에 서큘레이터를 연결하여 자기간섭을 약 15dB 줄였으며, 수신쪽 LNA (low noise amplifier) 이전에 아날로그 신호 영역에서 자기 간섭 제거를 수행하여 자기간섭을 추가로 45dB 줄였고, ADC (analog-to-digital convertor) 이후에 디지털 신호영역에서 한 번 더 자기간섭 제거를 수행하여 추가로 50dB를 줄였다. 결과적으로 자기간섭을 잡음 수순으로 줄였으며, 실내 환경에서 실제로 두 배에 가까운 수율 이득을 얻었다.
논문 [3]에서는 반이 중 통신 방식의 SDR (software defined radio) 장비 두 대를 이용하여 전이 중 통신 시스템 원형을 구현하였다. 이 논문의 원형은 디지털 영역에서만 자기간섭을 제거하여 자기간섭을 27dB 줄였다. 또한 500kHz 대역에서 OFDM (orthogonal frequency division multiplexing)을 고려하여 4m 떨어진 거리에서 ^의 비트오류율을 달성하였다.
또한 다중안테나 기반 전이 중 라디오와 서큘레이터기반 전이 중 라디오를 모두 고려하여 두 경우의 성능을 비교하였다. 특히 이동성이 전이 중 라디오 시스템의 자기간섭제거 성능에 부정적인 영향을 미침을 보였다. 예를 들어, 서큘레이터 기반 시스템에서 간섭제거 필터 파라미터의 갱신 주기가 16.
표 2에 나타난 바와 같이 서큘레이터 기반 시스템이 고정위치에 있을 때 표준편차가 가장 작으며, 이 시스템이 이동할 경우 표준편차가 약 28배 증가함을 알 수 있다. 다중안테나 기반 시스템은 고정인 상황에서 서큘레이터 기반 시스템에 비해 표준편차가 약 5배 이상 나는 것을 알 수 있으며, 이동 상황에서는 비슷한 표준편차 값을 갖는 것을 알 수 있다.
또한 이동상황에서 자기 간섭 제거 필터의 갱신주기가 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 한 예로, 서큘레이터 기반 시스템의 이동상황에서 갱신 주기가 0.016초 일 때보다 16.4초일 때 잔여 신호전력이 5.7dB 컸다.
현재까지 전이 중 라디오 시스템의 원형이 다수 제작되었고 비록 제한된 실험 환경에서 두 배의 주파수 효율에 가까운 성능을 달성할 수 있음이 확인되었다. 논문 [2] 에서는 WiFi 802.

참고문헌 (7)

N. V. Shende, O. Gurbuz, and E. Erkip, "Half-Duplex or Full-Duplex Communications: Degrees of Freedom Analysis Under Self-Interference," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 17, no. 2, pp. 1081-1093, Feb. 2018.

상세보기
D. Bharadia, E. McMilin, and S. Katti, "Full Duplex Radios," in Proceedings of the ACM SIGCOMM 2013 conference on SIGCOMM, Aug. 2014.
W. Zhou, G. Villemaud, and T. Risset, "Full Duplex Prototype of OFDM on GNURadio and USRPs," in Proceeding of 2014 IEEE Radio and Wireless Symposium (RWS), Jun. 2014.
H. Park, J. Yoon, and Y. Kim, "In-Band Full-Duplex Wireless Communication Using USRP," The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, vol.30, no.3, pp. 229-235, Mar. 2019.

원문보기 상세보기
C. Campolo, A. Molinaro, A. O. Berthet, and A. Vinel, "Full-Duplex Radios for Vehicular Communications," IEEE Communications Magazine, vol. 55, no. 6, pp. 182-189, Jun. 2017.

상세보기
A. Bazzi, C. Campolo, B. M. Masini, A. Molinaro, A. Zanella, and A. O. Berthet, "Enhancing Cooperative Driving in IEEE 802.11 Vehicular Networks Through Full-Duplex Radios," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 17, no. 4, pp. 2402-2416, Apr. 2018.

상세보기
R. G. Brown, and P. Y. C. Hwang, "Introduction to Random Signals and Applied Kalman Filtering," John Wiely & Sons, Inc. 4 th ed. 2012.

저자의 다른 논문 :

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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