In-Band Full-Duplex Wireless Communication Using USRP

USRP 장치를 이용한 동일대역 전이중 무선통신 연구

Abstract

The implementation of an in-band full-duplex wireless communication system is demonstrated in this study. In the analog/RF domain, the self-interference(SI) signal is reduced using a separate antenna for the transmitter and receiver paths, and most of the SI signal is canceled in the digital domain. A software defined radio(SDR) is used to implement the in-band full-duplex wireless communication system. The USRP X310 device uses transmitting and receiving antennas. By adjusting the gain of the transmitting and receiving ends of the SDR device, the magnitude of the SI signal entering the receiving antenna, and the size of the received signal from the outside, are both set to -64 dB. To verify the in-band full-duplex wireless communication performance, the source data is image and orthogonal frequency-division multiplexing is used for modulation. A WiFi standard frame with a carrier frequency of 2.67 GHz and bandwidth of 20 MHz is used. In the received signal, the SI signal is canceled by digital signal processing and the SI signal is attenuated by up to 34 dB. OFDM demodulation was impossible when the SI signal was not removed. However, the bit error rate is reduced to $2.63{\times}10^{-5}$ when the SI signal is attenuated by 34 dB, and no error is detected in the 100 Mbit data output as a result of passing through the Viterbi decoder.

본 논문은 동일 대역 전이중 무선 통신 시스템의 구현에 관한 연구이다. 아날로그 RF 영역의 신호는 분리된 안테나를 이용하여 자기간섭 신호 크기를 줄이고, 디지털 영역은 SDR(Software Defined Radio)을 통해 자기간섭 신호를 제거하여 동일 대역 전이중 무선 통신 방식을 구현하였다. USRP X310 장치에 송신단의 안테나와 수신단의 안테나를 각각 사용하였으며, SDR 장치의 송수신단의 이득을 조절하여 수신단의 안테나로 들어오는 자기간섭 신호의 크기와 외부에서 수신하고자 하는 신호의 크기를 -64 dB으로 동일하게 설정하였다. 전이중 무선 통신 성능을 검증하기 위하여 소스데이터는 이미지를 사용하였으며 변조 방식은 OFDM 방식을 사용하였다. 반송파 주파수는 2.67 GHz, 대역폭은 20 MHz인 WiFi 표준 프레임을 사용하였다. 수신 신호에서 자기간섭 신호는 디지털 신호처리로 상쇄하였으며, 최대 34 dB까지 자기간섭 신호를 제거하였다. 자기간섭 신호를 제거하지 않았을 때는 OFDM 복조가 불가능하였다. 하지만 자기간섭 신호 제거량의 크기를 변화시켜가면서 BER을 측정한 결과, 자기간섭 신호를 34 dB 제거한 경우 BER이 $2.63{\times}10^{-5}$로 줄어들었고, 비터비 복호기(Viterbi decoder)를 통과한 결과, 100 Mbit data 송출량 동안 에러가 검출되지 않았다.

그림 1. IFD 통신 구조 Fig. 1. Structure of IFD communication.

그림 2. OFDM 송신단 Fig. 2. OFDM transmitter.

그림 3. OFDM 수신단 Fig. 3. OFDM receiver.

그림 4. 위너 필터 구조 Fig. 4. Structure of Wiener filter.

그림 5. 동일대역 전이중 무선 통신 시뮬레이션 블록도 Fig. 5. In-band full-duplex wireless communication simulation block diagram.

그림 6. OFDM 프리앰블 구조 Fig. 6. OFDM preamble structure.

그림 7. USRP 1의 송신 신호 스펙트럼 Fig. 7. Transmission signal spectrum of USRP 1.

그림 8. USRP 1의 수신 신호, 자기간섭 제거 신호 스펙트럼 Fig. 8. Receive, cancelled signal spectrum of USRP 1.

그림 9. 자기간섭 신호가 없을 시 성상도 Fig. 9. The constellation diagram without self interference signal.

그림 10. 자기간섭 신호를 33.6 dB 제거했을 시 성상도 Fig. 10. The constellation diagram when the magnetic interference signal is removed by 33.6 dB.

그림 11. 자기간섭 신호를 14 dB 제거했을 시 성상도 Fig. 11. The constellation diagram when the magnetic interference signal is removed by 14 dB.

그림 12. 자기간섭 신호 제거량에 따른 BER Fig. 12. BER according to the amount of self interference cancellation.

표 1. SDR 장치 사양 Table 1. The specifications for SDR equipment.

표 2. 시스템 변수 Table 2. The system parameters.

표 3. 성능 비교표 Table 3. The comparison table of performance.