ORBIT 테스트베드에서 구현한 오픈 액세스 전이중 무선 시스템

본 논문은 전이중(FD) 무선 통신 연구를 촉진하기 위해, Columbia 대학의 FlexICoN 프로젝트에서 개발한 Gen‑1 RF 자기간섭 캔슬러와 NI/​Ettus Research의 USRP N210 소프트웨어 정의 라디오(SDR)를 결합한 오픈 액세스 트랜시버를 ORBIT 무선 테스트베드에 통합한 과정을 상세히 기술한다. 전이중 통신은 동일 주파수 대역에서 송·수신을 동시에 수행함으로써 물리 계층의 스펙트럼 효율을 이론적으로 두 배로 향상시킬 수 있지만, 송신 신호가 수신 안테나에 직접 유입되는 자기간섭(SI)이 수십 dB에 달해 수신 신호를 압도한다. 따라서 90 dB 이상, 특히 RF와 디지털 두 단계에서 각각 최소 40 dB 이상 억제가 필요하다. **하드웨어 설계** - **RF 캔슬러 박스**: PCB 위에 구현된 이산 부품 회로로, 900 MHz 중심 주파수에 최적화되어 있다. 주요 구성 요소는 (i) 진폭·위상 기반 RF 캔슬러, (ii) 860‑960 MHz 대역용 코액시얼 서큘레이터(RF‑CI RFCR3204), (iii) 프로그래머블 안테나 튜너, (iv) SUB‑20 USB‑SPI 컨트롤러이다. - **진폭·위상 조정**: 7‑bit 디지털 감쇠기(SKY12343‑364LF)와 8‑bit DAC 구동 위상 변조기(SPHSA‑152+)를 사용해 각각 –48 dB~–17 dB, 0‑360° 범위에서 미세 조정한다. 측정 결과, 감쇠와 위상 조합에 따라 29 dB 진폭 범위와 전체 위상 회전이 가능함을 확인하였다. - **안테나 튜너**: 고정 인덕터(5.1 nH)와 5‑bit 디지털 가변 커패시터(PE64909) 3개를 이용한 π‑네트워크로, 실시간 임피던스 매칭을 수행한다. CAP1‑CAP3 각각 0‑31 단계로 설정 가능하며, SUB‑20을 통해 1 µs 이하의 응답 속도로 프로그래밍한다. - **전체 SI 억제**: 서큘레이터 자체가 약 20 dB의 TX/RX 격리를 제공하고, RF 캔슬러가 추가 20‑30 dB를 보태어 5 MHz 대역폭에서 총 40 dB RF SI 억제를 달성한다. **소프트웨어 구현** - **UHD 기반 예제**: C++로 구현된 FD 트랜시버 베이스라인 프로그램은 TX, RX, 디지털 SIC을 각각 별도 스레드로 운영한다. 디지털 SIC은 Volterra 시리즈 모델을 기반으로 최소제곱 해를 구해 SI 신호를 추정·제거한다. 실험에서는 0 dBm 전송 파워에 대해 RF에서 45 dB, 디지털에서 45 dB 억제를 얻어 총 90 dB SI 취소를 달성하였다. - **GNU Radio 기반 예제**: 사용자 친화적인 GUI와 블록 다이어그램을 제공한다. RF 캔슬러 파라미터는 OOT SUB‑20 모듈을 통해 실시간으로 조정 가능하지만, 디지털 SIC은 파일로 저장된 베이스밴드 샘플을 오프라인 MATLAB/​Python 스크립트로 처리한다. 2.5 MHz 대역폭의 QPSK 신호(0 dBm 평균 전송 파워)에서 RF 43 dB, 디지털 42 dB 억제로 총 85 dB SI 취소를 확인하였다. **실험 환경 및 결과** - ORBIT 테스트베드의 노드(node11‑10)와 USRP N210을 사용했으며, 안테나는 Apex II 멀티밴드 안테나를 연결했다. 수신기 잡음 플로어는 –85 dBm이며, 환경 간섭이 적은 실내 환경에서 측정하였다. - 두 개의 독립 노드(node13‑8)와 협업해 원하는 신호(주파수 오프셋 400 kHz 또는 1 MHz)를 전송하고, FD 트랜시버가 이를 정상 복구함을 확인하였다. - RF 캔슬러 파라미터(ATT, PS, CAP1‑3)의 조합에 따라 SI 억제 수준이 변함을 보여주며, SUB‑20 프로그램을 통해 손쉽게 재설정할 수 있음을 강조한다. **활용 가능성** 제공된 베이스라인 이미지와 코드(https://github.com/Wimnet/flexicon_orbit)는 교육용 실습, MAC 프로토콜 설계, OFDM·SC‑FD 구현, 다양한 디지털 SIC 알고리즘 평가 등 광범위한 연구에 바로 적용 가능하다. 또한 향후 Gen‑2 캔슬러와 PAWR COSMOS 테스트베드와의 연동을 통해 대규모 실험 환경을 확대할 계획이다. **결론** 본 연구는 하드웨어(PCB 기반 RF 캔슬러, 서큘레이터, 안테나 튜너)와 소프트웨어(UHD·GNU Radio 기반 디지털 SIC)를 통합해 ORBIT 테스트베드에 최초로 원격 접근 가능한 전이중 트랜시버를 구현하였다. 85‑90 dB 수준의 총 SI 억제를 달성함으로써, 전이중 무선 연구에 필요한 실험 인프라를 오픈 액세스로 제공한다는 점에서 학계·산업계에 큰 기여를 한다.