「이 논문은 2015년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 정보통신기술진흥센터의 지원을 받아 수행된 연구임(R0101-15-244, 초연결 스마트 모바일 서비스를 위한 5G 이동통신 핵심 기술 개발).」
한동대학교 정보통신공학과(Department of Information Communication Enginnering, Handong University) *한국전자통신연구원(Electronics and Telecommunications Research Institute)
․Manuscript received January 7, 2016 ; Revised February 16, 2016 ; Accepted February 24, 2016. (ID No. 20160107-001)
․Corresponding Author: Youngsik Kim (e-mail: young@handong.edu)
ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)
동일대역 전이중 통신을 위한 RF/아날로그 영역에서의 자기간섭 신호 제거 시스템 구현
Implementation of Self-Interference Signal Cancelation System in RF/Analog for In-Band Full Duplex
이 지 호․장 갑 석*․김 영 식 Jiho Lee․Kapseok Chang*․Youngsik Kim
요 약
본 논문에서는 동일대역 전이중 통신을 위한 RF/아날로그 영역에서의 자기간섭 신호 제거 시스템을 설계 및 제작하여 성능을 검증하였다. 구현한 시스템은 NI5791 플랫폼과 NI Flex RIO를 이용하여 검증하였다. NI5791 플랫폼의 송신 출력 을 높이기 위해 SKYWORKS SE2565T 전력 증폭기를 사용하였으며, 송·수신 안테나 선로는 써큘레이터를 사용하였다.
자기간섭 신호를 제거하기 위한 RF FIR 필터는 총 12개의 탭을 가지도록 설계하였고, 지연선로의 시간은 100 ps의 간격 을 가지도록 설계하였다. 시스템의 동작은 전력 증폭기의 출력에서 10 dB 커플러를 이용하여 분배하였고, 각 탭 계수를 제어하여 안테나 반사와 써큘레이터 누설로 수신되는 간섭신호를 추정하여 차감하는 방식으로 자기간섭 신호를 제거하 였다. 자기간섭 제거 시스템 실험은 2.56 GHz이고, 20 MHz 대역폭을 가지는 802.11a/g OFDM 변조 신호를 사용하였으며, 출력이 0 dBm에서 53 dB의 자기간섭 신호 제거 이득을 얻었다.
Abstract
In this paper, a system of self-interference signal cancelation for in-band full duplex has been implemented and tested in RF/analog region. The system performance has been evaluated with NI5791 platform and NI Flex RIO. Due to the low power level of the NI5791, the RF signal is amplified by SKYWORKS SE2565T power amplifier. A circulator is used to feed the antenna both the transmitter and receiver. The RF FIR filter is designed by twelve delay taps in two different groups, and the interval between each delay tap is designed to have 100 ps. The amplified signal is distributed to antenna and the FIR filter by use of a 10 dB directional coupler. The tap coefficients of the RF FIR filter are tuned to estimate the self-interference signal coming from antenna reflection and the leakage of the circulator, and the self-interference signal is subtracted. The system is test with 802.11a/g 20 MHz OFMD at 2.56 GHz, and the output power of the amplifier of 0 dBm. The self-interference signal is canceled out by 53 dB.
Key words: Full Duplex, Self-Interference Signal Cancellation
개선에 대한 수요가 빠르게 증가하고 있다[1],[2].
이에 따라 제한된 주파수 자원의 효율을 높이기 위한 연구의 방향으로 전이중 방식의 무선 시스템 개발에 대 한 많은 연구가 이루어지고 있다[1],[2]. 동일대역 전이중 (IFD: In-band Full Duplex) 방식은 반이중(HD: Half Du- plex) 방식과 달리 동일대역에서 송신과 수신을 동시에 하는 방식이다. 이렇게 되면 주파수나 시간을 분리할 필 요가 없으므로 이론적으로 효율을 2배로 높일 수 있다[2]. 그러나 IFD 통신 방식은 송신과 수신을 동시에 하기 때문에 송신하는 신호가 수신하는 신호와 더해져 수신 회로에 인가된다. 하지만 송신 신호는 수신 신호에 비해 크기 때문에 송신 신호로 인한 자기간섭(SI: Self-Inter- ference) 신호가 수신신호와 혼합되어 들어올 경우, 수신 부가 포화될 수 있다. 따라서 자기간섭 신호를 RF와 아날 로그 영역에서 수신신호 크기 이하로 제거해야 수신기의 ADC 성능을 충분히 사용할 수 있다. 이러한 기술은 무선 중계기에서 무선 간섭신호 제거에도 적용될 수 있다[5],[6]. 그림 1은 IFD를 위한 자기간섭 제거 시스템이다. 그림 1 에서 송신신호 는 써큘레이터(circulator)를 통해 안테 나로 송출된다. 그러나 이 과정에서 써큘레이터 누설과 안테나의 반사로 인해 수신 받기를 원하는 신호 와 함께 자기간섭 신호 ̃가 더해져서 수신된다. 자기간 섭 제거 시스템은 송신 신호를 RF FIR 필터를 이용하여 자기간섭 신호의 추정신호 ̂를 생성하여, 수신 신호 에서 빼줌으로써 제거한다. 요구되는 제거 수준은 최종 수신되는 신호 ̃ ̂에서 추정치와 자기간 섭 신호의 차이 ̃ ̂가 수신 신호 의 크기와 같은 차수(order)가 되도록 제거한다. 자기간섭 신호는 써 큘레이터 누설 채널과 안테나 반사 채널의 서로 다른 두
그림 1. IFD를 위한 자기간섭 제거 시스템
Fig. 1. The self-interference signal cancelation system for IFD (In-band Full Duplex).
개의 채널을 통해 유입되기 때문에 두 개의 RF FIR 필터 를 사용한다. FIR1의 경우 써큘레이터의 누설로 인한 자 기간섭 신호를 제거하고, FIR2의 경우 안테나를 통해 발 생하는 자기간섭 신호를 제거하도록 설계한다. 각 RF FIR 필터는 지연 선들의 필터 계수 값의 가중치 합으로 간섭신호를 추정할 수 있다.
참고문헌 [2]에서는 송신 자기간섭 신호의 크기가 수신 신호에 비해 60 dB 높은 경우, 16개의 지연 탭을 이용하 여 자기간섭 신호를 RF/아날로그 영역에서 60 dB까지 제 거하는 시스템을 개발하였다. 그러나 지연(delay) 탭 수가 많고, 회로의 크기가 크기 때문에, 소형화와 지연 탭 수의 최적화에 대한 연구가 더 필요하다.
본 논문에서는 전이중 방식을 위한 RF/ 아날로그 영역 에서 자기간섭 신호 제거 필터를 채널 측정을 통해 최적 화하여, 12개 탭을 가지는 RF FIR 필터와 자기간섭 제거 시스템을 설계하고, 그 성능을 검증하였다.
Ⅱ. 자기간섭 신호 제거 시스템 2-1 RF FIR 필터 설계
그림 2는 N개의 서로 다른 지연선로(delay line)을 가진 RF FIR 필터의 구조를 나타내고 있다. 와̂는 필 터의 입력과 출력을 나타내고, α과 τ은 N번째 탭의 계수와 지연 값을 나타낸다. 필터의 출력 ̂는 자기간 섭 신호를 추정한 값으로 실제 자기간섭 신호에서의 필
그림 2. N탭을 가진 RF FIR 필터의 구조
Fig. 2. The architecture of RF FIR filter with N taps.
터의 출력을 빼줌으로써 자기간섭 신호 제거(SIC: Self- Interference signal Cancelation)를 구현하게 된다[3].
자기간섭 신호의 지연시간을 τ, RF FIR 필터의 탭 간 격을∆τ라 했을 때, RF FIR 필터가 추정할 수 있는 시간 의 범위는 ∆τ이다. 시간의 범위 안에τ가 포함 되어 있어야 자기간섭 신호의 크기, 위상, 지연시간을 추 정하여 SIC를 구현할 수 있다. SIC를 위한 RF FIR 필터 설계는 RF 반송파 주파수와 송신신호의 대역폭이 주어졌 을 때 탭 수 N, 탭 간격∆τ, 그리고 탭 계수α를 설계해 야 한다[3].
RF FIR 필터는 Matlab으로 대역 제한된 통과대역 모델 을 이용하여 RF/아날로그 SIC 시뮬레이션을 수행하여 최 적화 하였다[3],[4]. 시뮬레이션 결과, 탭의 개수를 8개와 16 개의 경우, 두 가지에 대해서 SIC 테스트를 한 결과, 16개 로 했을 때가 8개일 때보다 SIC 성능이 18 dB 더 우수하 였다. 지연 탭 수에 따라 필터의 크기가 커지기 때문에 가 능한 최소의 탭을 가지도록 설계하여야 한다.
RF FIR 필터는 2.56 GHz에서 20 MHz 대역폭을 가지도 록 설계하였다. RF FIR 필터의 Nyquist 샘플 주기는 식 (1)과 같다[4].
× G Hz MHz ps
(1) 설계 여유를 고려하여 RF FIR 필터의 탭 간격은 100 ps, 탭의 수는 N=12로 그림 3과 같이 설계하였다.
그림 3. 12탭의 RF FIR 필터 블록도
Fig. 3. The block diagram of the RF FIR filter with 12 taps.
구현한 IFD는 하나의 안테나를 동시에 송신과 수신하 기 위해 써큘레이터를 이용하여 송신부와 수신부를 분리 하였다. 이 경우, 써큘레이터의 누설 신호와 안테나를 통 해 반사되어 들어오는 두 가지의 자기간섭 신호가 존재 한다. 두 신호의 경로가 다르기 때문에 그에 따른 채널 특 성이 달라지게 된다. 참고문헌 [2]의 연구에서는 16개의 탭을 8개의 탭은 써큘레이터의 누설 신호 제거에 적용하 고, 나머지 8개 탭은 안테나를 통해 반사되어 들어오는 신호를 제거하기 위해 사용하였다. 그러나 본 연구에서 안테나와 써큘레이터 누설신호에 대한 채널 측정과 앞서 의 최적화를 통해 탭 수를 12개로 RF FIR 필터를 구현하 였다. 써큘레이터 누설 신호에 대한 채널 지연시간을 측 정한 결과는 3.8 ns로 측정되었고, 안테나 반사로 인한 채 널 지연시간의 경우는 5 ns로 써큘레이터 누설 채널 지연 보다 1 ns 정도 긴 지연을 가지고 있었다. 써큘레이터의 누설 신호의 지연시간과 특성이 상대적으로 안정되어 있 어서, 이를 위한 탭을 4개로 줄이고, 안테나 채널의 경우 8개의 지연 탭으로 구성하여 총 12개의 탭으로 RF FIR 필 터를 설계하였다.
그림 3은 설계된 12개의 탭을 가지는 RF FIR 필터의 블록도이다. 총 12개의 탭 중에서 위의 8개 탭은 안테나 를 통해 반사되어 들어오는 자기간섭 신호를 제거하기 위한 것이고, 밑의 4개 탭은 써큘레이터의 누설 신호를 제거하기 위한 것이다. 그리고 각 탭의 지연시간 간격은
이용하였다. 필터의 입력은 전력 분배기/결합기와 90° 하 이브리드 커플러를 이용하여 12개의 탭으로 구현하였다.
각 탭의 계수 7 bit RF 디지털 감쇠기와 6 bit 디지털 위상 천이기를 이용하여 RF 신호의 크기와 위상을 조정할 수 있다. 그리고 필터의 입력과 출력에서 10 dB 커플러로 인 해 생기는 20 dB 손실, 분배기/ 결합기로 인해 생기는 손 실, 그리고 소자들이 가지는 삽입 손실 때문에 고정적인 손실을 보상하기 위해 게인 블록 증폭기를 추가하였다.
2-2 IFD(In-band Full Duplex) 보드 설계
그림 4는 RF FIR 필터를 포함한 전체 IFD 보드의 블록 도이다. 송신 신호는 NI5791 플랫폼을 사용하고, 전력을 증폭시키기 위해 전력 증폭기를 사용하였다. 전원은 5 V 어댑터를 통해 공급하고, 보드 내부에서 전압 조정기를 사용하여 —5 V와 3.3 V를 만들어서 사용하도록 설계하
그림 4. IFD 보드의 블록도
Fig. 4. The block diagram of the IFD board.
Ⅲ. 실험 및 측정 결과
전력 증폭기와 써큘레이터의 성능을 테스트하기 위해 각각 보드를 따로 제작하여 측정하였다. 그림 5는 SKY- WORKS SE2565T 전력 증폭기로, 출력 임피던스 매칭 지 점을 RF 튜너(tuner)를 이용하여 찾아 구현하였다. 그리고 그림 6은 전력 증폭기를 측정하여 이득과 출력 전력을 나 타낸다. 측정결과, 전력 이득은 28 dB이고, 출력 P1dB는 27 dBm이다.
그림 7은 써큘레이터 보드이다. 드롭인(drop-in) 타입을 사용했기 때문에 별도의 하우징을 제작하여 소자의 그라 운드를 연결하여 주었다. 그림 8은 써큘레이터 보드를 회 로망 분석기(Network Analyzer)로 S파라미터를 측정한 결 과이다. 측정결과, 송신과 수신 포트간 격리도는 2.56 GHz 를 중심으로 20 MHz 대역에서 19 dB로 나타났다.
그림 9는 전력 증폭기와 써큘레이터 그리고 RF FIR 필 터 전체를 결합하여 제작한 보드를 보여준다. 그림 9에서
그림 5. 전력 증폭기 테스트 보드 Fig. 5. The test board of power amplifier.
그림 6. 전력 증폭기 측정 결과 그래프
Fig. 6. The plot of measured result of power amplifier.
그림 7. 써큘레이터 테스트 보드 Fig. 7. The test board of circulator.
그림 8. 써큘레이터 측정 결과
Fig. 8. The measured result of circulator.
1번은 전력 증폭기이고, 입력으로 NI5791로부터 송신 신 호가 인가된다. 그리고 2번은 써큘레이터이며, 좌측의 SMA
그림 9. 제작된 IFD 보드 Fig. 9. The IFD board.
그림 10. 제작된 IFD 보드의 SIC 성능 측정 Fig. 10. The measurement of SIC performance.
커넥터에 안테나가 장착된다. 3번은 RF FIR 필터이고, 4 번은 필터의 계수를 업데이트 하기 위해 필요한 HDMI 케이블을 연결할 수 있는 커넥터이다. 마지막 5번은 5 V 전원 어댑터를 연결하는 부분이다. 보드의 크기는 11.9 cm×15.9 cm이고, RF FIR 필터 부분은 10 cm×8.6 cm이다.
그림 10은 제작된 IFD 보드의 SIC 성능을 검증하기 측 정 환경이다. 송신 신호는 NI5791과 RF 커넥터로 연결하 여 입력으로 받도록 되어 있다. 그리고 보드의 출력은 스 펙트럼 분석기(Spectrum Analyzer) 와 연결되어 있어 화면 으로 출력을 확인할 수 있다. 본 연구에서는 필터의 계수 를 업데이트를 하기 위해서 추가적으로 FPGA 보드인 Ne- xys2 보드를 사용하였다.
그림 11. 스펙트럼 분석기를 통해 측정한 IFD 보드의 출력
Fig. 11. The output of the IFD board by using spectrum analyzer.
측정 결과는 그림 11과 같다. 이는 4가지의 출력을 한 화면에 나타낸 그림이다. 먼저 1번 스펙트럼은 전력 증폭 기를 통과한 송신 신호의 스펙트럼이다. 입력은 802.11 a/g 20 MHz OFDM 신호로 0 dBm의 전력을 가진다. 2번 스펙트럼은 필터가 작동하지 않은 경우, 써큘레이터와 안 테나로 송신과 수신 포트 간의 격리 특성을 측정한 것이 다. 송신과 수신포트간 20 dB의 격리 이득이 생기는 것을 볼 수 있다. 그리고 3번 스펙트럼은 안테나를 연결하지 않고, 50 ohm을 연결한 다음 RF FIR 필터의 앞쪽의 4개의 탭만 사용하여 자기 간섭신호를 제거한 측정한 결과로 약 55 dB 제거 성능을 보여준다. 이 경우는 안테나를 연 결하지 않았기 때문에 써큘레이터 누설 신호만 들어오게 되고, 이는 4개 탭만 사용하여도 누설 신호를 충분히 제 거할 수 있다는 것을 보여준다. 마지막으로 4번 스펙트럼 은 안테나를 연결하고, 12개 탭을 사용하여 SIC 성능을 측
표 1. 성능 비교표
Table 1. The comparison table of performance.
This work Ref. [2]
입력 신호 802.11a/g 20 MHz OFDM RF 중심주파수 2.56 GHz 2.45 GHz
자기간섭 제거 53 dB 60 dB
Number of tap 12 16
본 논문에서는 동일대역 전이중 방식을 위한 RF/아날 로그 영역에서의 자기간섭 신호 제거 시스템을 설계하고 성능을 검증하였다. IFD 시스템은 써큘레이터를 이용하 여 단일 안테나를 송신과 수신 포트로 연결하였다. 그리 고 RF 중심 주파수 2.56 GHz 20 MHz 대역폭을 가지는 신호에 대해 RF FIR 필터 최적화를 수행하여 탭간의 지 연시간 간격을 100 ps로 설계하였으며, 써큘레이터와 안 테나의 특성을 측정하여 4개의 탭으로 써큘레이터의 누 설로 인한 자기간섭 신호를 제거하고, 8개의 탭으로 안테 나로 인해 유입되는 자기간섭 신호를 제거하도록 12개의 탭으로 설계하였다. 성능의 검증을 위해 802.1 a/g WiFi OFDM PHY 신호를 사용하였다. 측정 결과, 약 53 dB 가 량의 SIC 이득을 얻을 수 있었다.
References
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이 지 호
2014년 2월: 한동대학교 전산전자공학부 (공학사)
2014년 2월～현재: 한동대학교 정보통신 공학과 석사과정
[주 관심분야] 무선통신시스템, RF/Analog IC 설계, 초고주파 회로설계
장 갑 석
1999년 8월: 한국과학기술원 전자공학과 (공학석사)
2005년 8월: 한국과학기술원 전자공학과 (공학박사)
2005년 8월～현재: 한국전자통신연구원 책 임연구원
2010년 11월: Marquis Who’s Who 인명사 전 등재
[주 관심분야] In-band Full Duplex 시스템, Synchronization, Net- work Coding, MIMO 송수신, 스마트 안테나 시스템
김 영 식
1993년 2월: 포항공과대학교 전자전기공 학과 (공학사)
1995년 2월: 포항공과대학교 초고주파공 학과 (공학석사)
1997년 5월: 포항공과대학교 초고주파공 학과 (공학박사)
1999년 4월～현재: 한동대학교 전산전자 공학부 정교수
[주 관심분야] 센서네트워크 개발, RFID, 무선 송수신용 RF/
Analog IC 설계, 무선통신용 모뎀 설계, RF 전력증폭기 개발
