[논문 리뷰] Implementation of Uplink Network Coded Modulation for Two-Hop Networks

Yi Chu, Tong Peng외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 26.

Cooperative Communication and Network Coding참고 문헌 12인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 USRP 소프트웨어 정의 신호기들을 사용한 두 홉 무선 네트워크에서 물리계층 네트워크 코딩(PNC)을 활용한 업링크 네트워크 코딩 변조(NetCoM)의 첫 실세계 구현을 제시한다. 프로토타입은 실용적인 PNC 처리를 통해 OFDM 기반 NetCoM를 구현하여 백홀드 부하를 감소시키며, 5개 노드 테스트베드에서 발생하는 시계 오차 및 동기화 문제를 극복한다.

ABSTRACT

With the fast growing number of wireless devices and demand of user data, the backhaul load becomes a bottleneck in wireless networks. Physical layer network coding (PNC) allows Access Points (APs) to relay compressed, network coded user data, therefore reducing the backhaul traffic. In this paper, an implementation of uplink Network Coded Modulation (NetCoM) with PNC is presented. A 5-node prototype NetCoM system is established using Universal Software Radio Peripherals (USRPs) and a practical PNC scheme designed for binary systems is utilised. An orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) waveform implementation and the practical challenges (e.g. device synchronisation and clock drift) of applying OFDM to NetCoM are discussed. To the best of our knowledge this is the first PNC implementation in an uplink scenario in radio access networks and our prototype provides an industrially-applicable implementation of the proposed NetCoM with PNC approach.

연구 동기 및 목표

• 밀도 높은 무선 네트워크에서 증가하는 백홀드 용량 병목 현상을 해결하기 위해.
• 실용적인 업링크 네트워크 코딩 변조(NetCoM) 체계를 물리계층 네트워크 코딩(PNC)을 사용하여 구현하고 검증하기 위해.
• 실제 장비 환경에서 실용적인 품질의 잡음 및 왜곡 조건 하에서도 OFDM 기반 NetCoM와 PNC의 실현 가능성을 입증하기 위해.
• 실시간 다중 노드 라디오 액세스 네트워크 환경에서의 동기화 및 시계 오차 과제를 평가하기 위해.

제안 방법

• 업링크 시나리오를 시뮬레이션하기 위해 유니버설 소프트웨어 라디오 퍼피(USRPs)를 사용해 5노드 프로토타입 네트워크를 구축하였다.
• 릴레이에서 사용자 신호를 네트워크 코딩하여 병합하고 전달하기 위해 실용적인 이진 PNC 체계를 적용하였다.
• 다중 사용자 액세스 및 주파수 선택성에 대응하기 위해 웨이브폼으로 오р토곤럴 주파수 분할 multiplexing(OFDM)을 사용하였다.
• 시계 오차 및 장치 시간 오프셋을 완화하기 위해 프레임 동기화 및 캐리어 주파수 오프셋 보정을 구현하였다.
• 실시간 처리를 위한 설계로, 실용적인 라디오 환경에서 종단간 NetCoM 운영을 가능하게 하였다.
• 신호 처리 체인에는 릴레이 및 목적지에서의 채널 추정, 에큐얼라이제이션 및 PNC 복호화가 포함되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 라디오 하드웨어 환경에서 실용적인 업링크 NetCoM 시스템과 PNC를 성공적으로 구현할 수 있는가?
• RQ2 실제 환경에서의 잡음 요인인 시계 오차 및 주파수 오프셋이 두 홉 네트워크에서 NetCoM 성능에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ3 OFDM 기반 업링크 시스템에서 PNC 기반 NetCoM를 통해 백홀드 부하를 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 실세계 라디오 액세스 네트워크에 NetCoM와 PNC를 구현할 때의 주요 과제는 무엇인가?

주요 결과

• USRPs 하드웨어를 사용한 종단간 업링크 NetCoM 운영이 성공적으로 구현되어 실세계 적용 가능성의 타당성이 입증되었다.
• 시계 오차 및 주파수 오프셋과 같은 실용적 잡음 요인에도 불구하고 안정적인 네트워크 코딩 전송이 달성되었다.
• OFDM는 NetCoM 프레임워크에 효과적으로 통합되어 다중 사용자 액세스 및 주파수 다양성에 기여하였다.
• 릴레이가 개별 데이터 스트림이 아닌 네트워크 코딩된 신호를 전달하므로, PNC 기반 NetCoM를 통해 백홀드 부하가 크게 감소하였다.
• 프레임 경계 검출 및 캐리어 주파수 오프셋 보정을 포함한 동기화 기법들이 시스템 안정성을 유지하는 데 효과적이었다.