THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE May; 27(5),

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민희 상
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1 THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE May; 27(5), ISSN (Print) ISSN X (Online) USRP RIO SDR 5G LTE-TDD HD Design and Implementation of 5G mmwave LTE-TDD HD Video Streaming System for USRP RIO SDR 곽경훈 신봉득 박동욱 어윤성 오혁준 Gyoung-Hun Gwag Bong-Deug Shin Dong-Wook Park* Yun-Seong Eo* Hyuk-Jun Oh 요약 3GPP LTE(Long Term Evolution)-TDD(Time Division Duplexing) NI(National Instruments) USRP RIO SDR(Software Defined Radio) 28 GHz HD 1T-1R(1 Transmitter-1 Receiver). Verilog LTE-TDD USRP RIO Xilinx Kintex-7 USRP RIO, USRP RIO 28 GHz RF 4 8 HD. USRP RIO Host PC PCI express(peripheral Component Interconnect express) dbc EVM(Error Vector Magnitude), HD. Abstract This paper presents the implementation and design of the 1T-1R wireless HD video streaming systems over 28 GHz mmwave frequency using 3GPP LTE-TDD standard on NI USRP RIO SDR platform. The baseband of the system uses USRP RIO that are stored in Xilinx Kintex-7 chip to implement LTE-TDD transceiver modem, the signal that are transceived from USRP RIO up or down converts to 28 GHz by using self-designed 28 GHz RF transceiver modules and it is finally communicated HD video data through self-designed 4 8 sub array antennas. It is that communication method between USRP RIO and Host PC use PCI express 4 to minimize delay of data to transmit and receive. The implemented system show high error vector magnitude performance above dbc and to transceive HD video in experiment environment anywhere. Key words: 5G, mmwave, USRP RIO, OFDM, LTE-TDD ( ) (Department of Electronics and Communications Engineering, Kwangwoon University) * (Department of Electronic Engineering, Kwangwoon University) Manuscript received March 15, 2016 ; Revised April 20, 2016 ; Accepted April 29, (ID No ) Corresponding Author: Hyuk-Jun Oh ( hj_oh@kw.ac.kr) c Copyright The Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science. All Rights Reserved. 445

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 27, no. 5, May. 2016.. 서론. 4G. 3GPP 4 5G Release 14,, 5G. 5G 4G, (mmwave) [1]. [2]. 2018 5G, KT 28 GHz. 28 GHz [3].

2 THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 27, no. 5, May 서론. 4G. 3GPP 4 5G Release 14,, 5G. 5G 4G, (mmwave) [1]. [2] G, KT 28 GHz. 28 GHz [3]. 28 GHz LTE-TDD(Long Term Evolution-Time Division Duplexing) HD. EVM(Error Vector Magnitude). LOS(Line Of Sight) HD. 그림 1. USRP RIO Fig. 1. USRP RIO block diagram.. 1 USRP RIO(NI USRP-2942R) Xilinx Kintex-7 LabVIEW FPGA(Field Programmable Gate Array). USRP RIO PC PCIe(PCI Express) MB/s. 40 MHz 2 (RF 0, RF 1) 400 MHz 4.4 GHz. I(In-phase)/Q(Quadrature-phase) Sample rate 120 MS/s, 1,024 MB [4]. 2 RF. I/Q RF, RF I/Q.. 본론 2-1 USRP RIO SDR USRP RIO SDR(Software Defined Radio) NI (National Instruments) LabVIEW I/O(RIO) 그림 2. USRP RIO RF Fig. 2. USRP RIO RF block diagram. 446

을 이용한 5G 밀리미터파 LTE-TDD HD 비디오 스트리밍 시스템 설계 및 구현 USRP RIO SDR 컨셉 그림 3. USRP RIO LabVIEW FPGA Fig. 3. USRP RIO LabVIEW FPGA concept.

2-2 LabVIEW FPGA 는 FPGA 모듈을 이용하여 LabVIEW 코드를 하드웨어용으로 컴파일하는데, 그림 3과 같은 과정 을 거치게 된다.

그 결과, LabVIEW가 FPGA 타겟에 다운로드할 프로그램 명령이 들어 있는 비트 파일이 생성된다. 생성된 비트 파일을 기 반으로 게이트 어레이 로직이 재구성되어 FPGA 칩에 로 드된다.

CLIP 노드를 통 해 Verilog 코드를 LabVIEW FPGA 하드웨어에 반입하 여 LabVIEW FPGA 다이어그램을 통해 통신할 수 있도록 한다.

3 을 이용한 5G 밀리미터파 LTE-TDD HD 비디오 스트리밍 시스템 설계 및 구현 USRP RIO SDR 컨셉 그림 3. USRP RIO LabVIEW FPGA Fig. 3. USRP RIO LabVIEW FPGA concept. 서브 배열 안테나 그림 Fig sub array antenna. 2-2 LabVIEW FPGA 는 FPGA 모듈을 이용하여 LabVIEW 코드를 하드웨어용으로 컴파일하는데, 그림 3과 같은 과정 을 거치게 된다. FPGA 모듈이 코드를 VHDL로 변환하면 Xilinx ISE 컴파일러가 변환된 VHDL 코드를 통합하여 LabVIEW 설계를 하드웨어 회로에 구현한다. 그 결과, LabVIEW가 FPGA 타겟에 다운로드할 프로그램 명령이 들어 있는 비트 파일이 생성된다. 생성된 비트 파일을 기 반으로 게이트 어레이 로직이 재구성되어 FPGA 칩에 로 드된다. 또한 LabVIEW는 Verilog 언어로 설계된 코드를 LabVIEW 프로젝트로 반입할 수 있도록 CLIP(Component Level Intellectual Property) 노드를 지원한다. CLIP 노드를 통 해 Verilog 코드를 LabVIEW FPGA 하드웨어에 반입하 여 LabVIEW FPGA 다이어그램을 통해 통신할 수 있도록 한다. 본 논문에서는 이와 같은 방식을 이용해 Verilog 언어 로 구현한 송수신 모뎀부를 LabVIEW 소프트웨어에 통합 하였다. LabVIEW FPGA 송수신기 모듈 그림 GHz RF Fig GHz RF transceiver module. 2-3 HD 비디오 송수신 시스템 비디오 스트리밍 시스템은 그림 5의 RF 송수신기 모듈을 이용해 28 GHz로 업 다운 변환을 수행하고, 그림 4의 4 8 형태의 0도 스캔 각도를 가지는 안테나를 사용해 HD 송수신기 모듈 블록도 그림 GHz RF Fig GHz RF transceiver module block diagram. 447

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 27, no. 5, May. 2016. 그림 7. Fig. 7. Overall system architecture.. 7. PC, USRP RIO, 28 GHz, PLL 4 8.

DL(Downlink) UL(Uplink) GP, DwPTS ( #0, #5) DL, UpPTS #2 UL, DL UL [5]. 9 10 3GPP LTE Verilog LabVIEW FP- GA. HD PC LabVIEW, Verilog. HD UDP(User Datagram Protocol) LabVIEW.

4 THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 27, no. 5, May 그림 7. Fig. 7. Overall system architecture.. 7. PC, USRP RIO, 28 GHz, PLL 4 8. PC PCIe 4, USRP RIO MXI HD. 3GPP LTE, 8. LTE-TDD(Time Division Duplex) 10 ms 5 ms 2, 1 ms 5., 10, 0.5 ms 2. DwPTS(Downlink Pilot Time Slot), GP (Guard Period) UpPTS(Uplink Pilot Time Slot). DL(Downlink) UL(Uplink) GP, DwPTS ( #0, #5) DL, UpPTS #2 UL, DL UL [5] GPP LTE Verilog LabVIEW FP- GA. HD PC LabVIEW, Verilog. HD UDP(User Datagram Protocol) LabVIEW. FIFO (First In First Out) USRP RIO Kintex-7. HD. code rate=1/3, constraint length=7 Convolutional. Burst Error Interleaver. QAM(Quadrature Amplitude Modulation), 16 QAM 64 QAM., 1,024-ponit IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) CP(Cyclic Prefix). PAPR(Peak to Average Po- 그림 8. Fig. 8. Frame structure. 그림 9. Fig. 9. Tx block diagram. 448

을 이용한 5G 밀리미터파 LTE-TDD HD 비디오 스트리밍 시스템 설계 및 구현 USRP RIO SDR 수신기 블록도 그림 10. Fig. 10. Rx block diagram. 을 줄여 USRP RIO의 Tx RF 채널로 비디오 데이터 패킷을 전송한다.

동기부는 PSS(Primary Synchronization Signal)와 SSS(Secondary Synchronization Signal)를 검출하여 동기화를 수행 한다. 첫 번째로 PSS를 검출해 슬롯 타이밍 정보를 얻고, 두 번째로 SSS를 통해서 프레임 타이밍 정보와 CP 길이 정보를 얻는다.

제로 패딩 제거 후 송신기에서 삽입한 참조 심볼을 이용 해 채널 추정을 수행한다. 채널 추정 이후 QAM 변조 방식에 따라 Demapper를 수 행하여 비트 스트림으로 변환하게 된다.

복원된 데이터는 LabVIEW 소프트웨 어에서 지정해준 UDP 포트로 전송되고, 미디어 플레이어 는 해당 포트로 데이터를 받아 HD 비디오를 스트리밍하 게 된다. 그림 9, 10에서 설계한 소프트웨어는 그림 11, 12와 같 이 구현되었다.

5 을 이용한 5G 밀리미터파 LTE-TDD HD 비디오 스트리밍 시스템 설계 및 구현 USRP RIO SDR 수신기 블록도 그림 10. Fig. 10. Rx block diagram. 을 줄여 USRP RIO의 Tx RF 채널로 비디오 데이터 패킷을 전송한다. 수신기 소프트웨어의 구조 및 동작은 송신기의 역순이 며, 송신부와 마찬가지로 3GPP LTE 표준에 따라 구현되 었다. 진행되는 순서는 그림 10과 같다. 동기부는 PSS(Primary Synchronization Signal)와 SSS(Secondary Synchronization Signal)를 검출하여 동기화를 수행 한다. 첫 번째로 PSS를 검출해 슬롯 타이밍 정보를 얻고, 두 번째로 SSS를 통해서 프레임 타이밍 정보와 CP 길이 정보를 얻는다. 이후 CP 사이즈, 프레임 사이즈와 FFT 사이즈를 토대 로 CP를 제거한다. CFO(Carrier Frequency Offset) Correction을 수행하여 주파수 오차를 제거한 후 10 MHz 1,024point 사이즈로 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행한다. 제로 패딩 제거 후 송신기에서 삽입한 참조 심볼을 이용 해 채널 추정을 수행한다. 채널 추정 이후 QAM 변조 방식에 따라 Demapper를 수 행하여 비트 스트림으로 변환하게 된다. 변환된 비트 스 트림은 Deinterleaver와 TBCC(Tail-Biting Convolutional Code) 채널 디코딩을 거쳐 비트 스트림으로 변환된다. 비트스트림은 스트링으로 변환되어 HD 비디오 데이터 를 복원하게 된다. 복원된 데이터는 LabVIEW 소프트웨 어에서 지정해준 UDP 포트로 전송되고, 미디어 플레이어 는 해당 포트로 데이터를 받아 HD 비디오를 스트리밍하 게 된다. 그림 9, 10에서 설계한 소프트웨어는 그림 11, 12와 같 이 구현되었다. 그림 11은 LabVIEW로 구현된 송신부 소 wer Ratio) [6] 송신부 컨트롤 패널 그림 11. LabVIEW Fig. 11. LabVIEW control pannel(tx). 수신부 컨트롤 패널 그림 12. LabVIEW Fig. 12. LabVIEW Control Pannel(Rx). 프트웨어이다. 실시간으로 재생하고 있는 HD 비디오를 LabVIEW 소프트웨어가 16 QAM으로 변조하여 전송하고 있는 모습이며, 그림 12는 수신부 소프트웨어로 실시간으 로 HD 비디오를 스트리밍하고 있는 모습이다. 특히 수신 부 소프트웨어는 상성도와 EVM(Error Vector Magnitude) 측정을 적용하여 시시각각 복조되는 상태를 확인할 수 있다. 2-4 실험 및 성능평가 대역의 밀리미터파 HD 비디오 송수신 시스템 을 그림 과 같이 실제 구현하여 검증을 수행하였다. 소 28 GHz

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 27, no. 5, May. 2016. 의 합성 결과 Logic utilization Used Available Utilization Total slices 17,641 63,550 27.

구현된 전체 시스템 그림 13. Fig. 13. Implemented overall system.

6 THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 27, no. 5, May 의 합성 결과 Logic utilization Used Available Utilization Total slices 17,641 63, % Slice registers 57, , % Slice LUTs 29, , % Block RAMs % DSP48s 302 1, % 표 1. USRP RIO 2942R FPGA Table 1. FPGA synthesis result of USRP RIO 2942R. 구현된 전체 시스템 그림 13. Fig. 13. Implemented overall system. 프트웨어는 Verilog와 LabVIEW를 이용하여 기술되었으 며, 성능평가는 수신기에서의 상성도, EVM 그리고 Keysight Technology의 N9962A FieldFox 마이크로웨이브(주 파수 대역 : 9 khz 50 GHz) 스펙트럼 분석기를 이용한 채널 파워 측정을 통해 검증하였다. 개발 프로그램으로 Xilinx ISE 14.7과 LabVIEW 2014 Serviece Pack 1 버전을 이용해 코딩하였다. Xilinx ISE 14.7을 이용해 Verilog로 LTE-TDD OFDM 시스템을 코딩 하고, LabVIEW로 UDP 스트리밍 시스템을 프로그래밍하 였다. Verilog로 작성한 LTE-TDD OFDM 시스템은 LabVIEW 소프트웨어로 최종 통합되어 USRP RIO NI2942R 의 Kintex-7 칩에 집적되었다. PC와 USRP RIO간의 원활 한 HD 비디오 데이터 송수신을 위하여 PC에 PCIe 4 카 드를 설치하고, MXI 케이블로 컴퓨터와 USRP RIO간 통 신을 하였다. 그 외에 USRP RIO와 28 GHz RF 송수신기, 4 8 안테나는 모두 SMA(Sub Miniature version A) 케이블 로 연결하였다. USRP RIO 드라이버는 15.0 버전을 사용 하였다. 해당 시스템에서 USRP RIO의 Kintx-7 칩에 FPGA로 합성한 결과는 표 1과 같다. LabVIEW FPGA 합성 프로그 램은 Xilinx Vivado 버전을 사용하여 컴파일하였으 며, 생성된 비트 파일은 USRP RIO의 Kintex-7 칩에 구동 하였다. 성능 검증 실험으로 그림 14와 같이 안테나를 배치하 여 측정된 값을 비교하였다. 밀리미터파는 직진성이 강해 450 실험환경 그림 14. Fig. 14. Field test environment. 빔 방사 각도 조절이 예민하여 점 대 점 고정통신방식을 취해야 하므로 정확한 성능 테스트를 위해 LOS(Line Of Sight) 환경에서 측정을 하였다. 실험환경은 연구실 내에 그림 15와 같이 장비를 배치 하고, 안테나를 거리별로 배치하여 측정하였다. 각각의 포인트는 P1(10 cm), P2(30 cm), P3(50 cm), P4(100 cm) 그 리고 P5(150 cm)의 5군데에서 성능 측정을 하고, 그 이상 의 거리에서는 HD 비디오 스트리밍이 정상적으로 송수 신되는지 확인하는 방식으로 실험을 진행하였다. 4 8 Tx 안테나의 송신출력은 4 dbm으로 측정되었다. 송신출력이 이와 같이 낮은 이유는 4 8 안테나는 능동 위 상 배열 안테나(Active Phased Array Antenna)로서 추후 현 재의 시스템에 파워 앰프가 추가될 것이기 때문이다. 따 라서 USRP RIO에서 너무 높은 파워로 신호를 송신한다 면 Saturation이 생길 수 있기 때문에 송신 출력이 낮은 것 이다. 그림 15와 16은 시스템의 성능을 측정한 값을 도식화 [7]

USRP RIO SDR 5G LTE-TDD HD (a) P1 (b) P5 (a) Rx constellation at P1 (b) Rx constellation at P5 그림 15. EVM Fig. 15. EVM performance per each point. 그림 16. Fig. 16. Channel power per each point.

7 USRP RIO SDR 5G LTE-TDD HD (a) P1 (b) P5 (a) Rx constellation at P1 (b) Rx constellation at P5 그림 15. EVM Fig. 15. EVM performance per each point. 그림 16. Fig. 16. Channel power per each point.. 15 EVM, GHz 16 QAM 그림 QAM Fig QAM Rx constellation. 64 QAM. EVM 1 m, 2.14 dbc. 1 m EVM 1.39 dbc 16 QAM 64 QAM 0.75 dbc QAM 64 QAM point. 28 GHz. 19 HD. 16 QAM 64 QAM 7.35 m 3.56 m HD., 3 5 표 2. Table 2. Performance measurement result. Point EVM (dbc) 16 QAM 64 QAM Channel power (dbm) EVM (dbc) Channel power (dbm) P P P P P (a) P1 (b) P5 (a) Rx constellation at P1 (b) Rx constellation at P5 그림 QAM Fig QAM Rx constellation. 451

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 27, no. 5, May. 2016. 28 GHz., 5G.

.. [1],,,, "5G ",, 32 9(1), pp. 46-54, 2015 8.

8 THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 27, no. 5, May GHz., 5G. References (a) 16 QAM HD (a) Rx HD video streaming of 16 QAM (b) 64 QAM HD (b) Rx HD video streaming of 64 QAM 그림 19. HD Fig. 19. HD video streaming... 결론 28 GHz LTE EVM, HD... [1],,,, "5G ",, 32 9(1), pp , [2] Dantong Liu, Lifeng Wang, Yue Chen, Maged Elkashlan, Kai-Kit Wong, Robert Schober, and Lajos Hanzo, "Use association in 5G networks: a survey and an outlook", IEEE Communications Surveys & Tutorials, issue 99, pp. 1-27, Jan [3],,,, " GHz ",, 26(10), pp , [4] NI USRP RIO page. [Online]. Available : ni.com [5] 3GPP spec series [Online]. Available : [6] Y. -C. Wang, J. -L. Wang, K. -C. Yi, and B. Tian, "PAPR reduction of OFDM signals with minimized EVM via semidefinite relaxation", IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 60, issue 9, pp , Nov [7] T. Deepa, R. Kumar, "Performance of comparison metrics on M-QAM OFDM systems with high power amplifier", 2012 World Congress on Information and Communication Technologies, pp , Oct-Nov

USRP RIO SDR 5G LTE-TDD HD 2014 2 : ( ) 2014 3 : [

2002 8 : LG RF Team 2002 9 2005 8 : Chip Solution

CMOS, CM- OS, UWB, 1995 2 : ( ) 2005 2 : ( ) 2009 3 :

, 1993 2 : ( ) 1995 2 : ( ) 1999 2 : ( ) 1999 9 2000 12

9 USRP RIO SDR 5G LTE-TDD HD : ( ) : [ 주관심분야 ], : ( ) : ( ) : ( ) : LG RF Team : Chip Solution Center : Athena Semi : [ 주관심분야 ] CMOS, CM- OS, UWB, : ( ) : ( ) : : [ 주관심분야 ]., : ( ) : ( ) : ( ) : Stanford University : QCT 3GPP : [ 주관심분야 ],,, : ( ) : [ 주관심분야 ], UWB 453

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 29, no. 10, Oct ,,. 0.5 %.., cm mm FR4 (ε r =4.4)

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2018 Oct.; 29(10), 799 804. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2018.29.10.799 ISSN 1226-3133 (Print) ISSN 2288-226X (Online) Method