[논문 리뷰] Open-Access Full-Duplex Wireless in the ORBIT Testbed

Tingjun Chen, Mahmood Baraani Dastjerdi외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 09.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 10인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 ORBIT 테스트베드에 통합된 최초의 오픈 액세스, 원격으로 접근 가능한 전이방식( FD) 무선 송수신기 시스템을 제시한다. 이는 FD 통신에 대한 크로스 레이어 실험을 가능하게 한다. 소프트웨어 정의 무선(USRP N210)과 5 MHz 대역폭에서 40 dB의 RF 대역 간섭 제거 성능을 보이는 고유의 RF 자기간섭 제거기(Gen-1)를 조합함으로써, 단순 신호와 PSK 변조 신호에 대해 각각 90 dB 및 85 dB의 총합 자기간섭 제거(SIC) 성능을 달성한다. 이는 RF 및 디지털 도메인의 공동 제거를 통해 달성된다.

ABSTRACT

In order to support experimentation with full-duplex (FD) wireless, we recently integrated an open-access FD transceiver in the ORBIT testbed. In this report, we present the design and implementation of the FD transceiver and interfaces, and provide examples and guidelines for experimentation. In particular, an ORBIT node with a National Instruments (NI)/Ettus Research Universal Software Radio Peripheral (USRP) N210 software-defined radio (SDR) was equipped with the Columbia FlexICoN Gen-1 customized RF self-interference (SI) canceller box. The RF canceller box includes an RF SI canceller that is implemented using discrete components on a printed circuit board (PCB) and achieves 40dB RF SI cancellation across 5MHz bandwidth. We provide an FD transceiver baseline program and present two example FD experiments where 90dB and 85dB overall SI cancellation is achieved for a simple waveform and PSK modulated signals across both the RF and digital domains. We also discuss potential FD wireless experiments that can be conducted based on the implemented open-access FD transceiver and baseline program.

연구 동기 및 목표

• 실세계 테스트베드 환경에서 전이방식(FD) 무선 통신에 대한 오픈 액세스, 원격으로 접근 가능한 실험을 가능하게 하기 위해.
• 전이방식 시스템에서의 핵심 과제인 자기간섭(SI) 문제를 소프트웨어 정의 무선(SDR) 플랫폼과 하드웨어 RF 제거기를 통합하여 해결하기 위해.
• 물리계층 및 중계접근제어(MAC) 계층에서의 FD 무선 연구를 촉진하기 위해 기초 소프트웨어 프레임워크와 예제 실험을 제공하기 위해.
• 표준화된 테스트베드 플랫폼에서 RF 및 디지털 도메인 자기간섭 제거(SIC)를 통합함으로써 크로스 레이어 실험을 지원하기 위해.
• FD 네트워킹 프rotocol 및 알고리즘의 확장 가능하고 재현 가능한 평가를 가능하게 하기 위해 ORBIT 테스트베드에 FD 기반 노드를 확장하기 위해.

제안 방법

• USRP N210 SDR를 탑재한 ORBIT 노드에 고유의 컬럼비아 FlexICoN Gen-1 RF 자기간섭(SI) 제거 박스를 통합함—이에는 분리형 구성 요소로 구성된 RF 제거기, 코axial 서큘레이터, 안테나 튜너, SUB-20 컨트롤러가 포함됨.
• 인쇄 회로 기판(PCB)에 구현된 주파수 평탄한 진폭 및 위상 기반 RF 제거기를 사용하여 5 MHz 대역폭에서 40 dB의 RF SI 제거 성능을 달성함.
• GNU Radio 및 UHD 소프트웨어 프레임워크를 사용하여 베이스밴드 도메인에서 RF 제거와 디지털 SIC를 결합함으로써 실시간 및 오프라인 처리를 가능하게 함.
• 두 가지 실험 모드를 지원하는 기초 FD 송수신기 프로그램을 설계함: 하나는 UHD를 사용해 90 dB의 총합 SIC를 달성하고, 다른 하나는 GNU Radio를 사용해 PSK 신호에 대해 85 dB의 총합 SIC를 달성함.
• ORBIT 테스트베드 인fra구조를 통해 FD 송수신기의 원격 액세스 및 제어를 가능하게 하여 재현 가능하고 확장 가능한 실험을 지원함.
• 커뮤니티의 도입과 확장 지원을 위해 기초 프로그램 및 하드웨어 구성에 대한 오픈 소스 코드와 튜토리얼을 제공함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 효과적인 자기간섭 제거 기능을 갖춘 전이방식 무선 송수신기를 ORBIT와 같이 널리 사용되는 오픈 액세스 테스트베드에 성공적으로 통합할 수 있는가?
• RQ2 SDR 플랫폼에서 RF 및 디지털 도메인 제거를 조합했을 때 달성할 수 있는 총합 자기간섭 제거(SIC) 수준은 어느 정도인가?
• RQ3 다양한 신호 유형, 예를 들어 단순 파형과 PSK 변조 신호에서 RF 제거기의 성능은 어떻게 변하는가?
• RQ4 외부 RF 제거기를 갖춘 소프트웨어 정의 무선 플랫폼에서 전이방식 통신을 구현할 때의 실용적 제약 조건과 성능 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ5 이 오픈 액세스 FD 송수신기 플랫폼을 통해 어떤 유형의 고위계층 실험(예: MAC 프로토콜, OFDM, 이질적 네트워크)이 가능해지는가?

주요 결과

• 구현된 RF 제거기 박스는 5 MHz 대역폭에서 40 dB의 자기간섭 제거 성능을 달성하여, 디지털 처리 이전에 강력한 SI 신호를 효과적으로 억제함.
• UHD 기반 기초 프로그램을 사용한 결과, 단순 파형에 대해 총합 90 dB의 자기간섭 제거(SIC) 성능을 달성함—RF 도메인에서 40 dB, 디지털 도메인에서 50 dB.
• GNU Radio 기반 기초 프로그램을 사용한 결과, PSK 변조 신호에 대해 총합 85 dB의 자기간섭 제거(SIC) 성능을 달성함—RF 도메인에서 43 dB, 디지털 도메인에서 42 dB.
• 자기간섭 톤으로부터 1 MHz 주파수 오프셋 떨어진 원하는 신호를 성공적으로 복구함으로써, 동시 송신 및 수신의 가능성을 입증함.
• 0 dBm 송신 전력에서 USRP 수신기의 노이즈 수준까지 제거 성능가능성을 확보함으로써, SI 신호의 효과적인 억제를 입증함.
• 오픈 액세스 FD 송수신기 및 기초 소프트웨어는 전이방식 무선에 대한 원격, 재현 가능한 실험을 가능하게 하며, 향후 MAC 프로토콜, OFDM, 이질적 네트워크에 대한 연구를 지원함.