NI mmWave 트랜시버 시스템 하드웨어 소개

개요

무선 기술은 다방면에 사용됩니다. 하루가 다르게 새로운 무선 장비가 등장하고 현재의 무선 네트워크에 액세스함에 따라 소비되는 데이터의 양도 그만큼 늘고 있습니다. 새로운 무선 장비의 수는 계속해서 늘고 있으며, 데이터 소비량 역시 기하급수적으로 증가하고 있습니다. 이러한 수요를 충족하기 위해 기존의 무선 인프라를 발전시키기 위한 새로운 무선 기술이 개발되고 있습니다. 이를 위해 세계의 무선 표준화 단체들은 5G라는 이름으로 널리 알려진 차세대 무선 시스템을 정의하는 작업을 시작했습니다. 5G 헌장에는 eMBB(강화 무선 광대역), mMTC(대규모 머신 타입 통신), uRMTC(초신뢰성 머신 타입 통신)의 세 가지 구체적인 사용 사례가 포함되어 있습니다.

이러한 세 가지 사용 사례를 다양한 요구사항에 맵핑할 수 있습니다. 예를 들어 eMBB는 피크 데이터 속도에, uRMTC는 지연시간에 맵핑할 수 있습니다. 요구사항이 각기 다르기 때문에 하나의 특정 기술이 모든 요구사항을 충족할 수는 없습니다. 따라서 5G는 새로운 여러 가지 기술이 조합된 형태가 될 것입니다. 특히 eMBB 사례의 경우, 연구원들은 6 GHz의 매우 제한적인 "가용" 스펙트럼으로 피크 데이터 속도를 4G의100로 높여야 합니다. 용량이 대역폭(즉, 스펙트럼)과 채널 노이즈의 상관관계라고 하는 섀넌 하틀리 정리(Shannon Hartley theorem)에 따르면 데이터 속도는 스펙트럼 가용성과 관련이 있습니다. 6 GHz 미만의 스펙트럼은 거의 전부 할당되어 있기 때문에 연구원들은 eMBB 사용 사례를 위해 6 GHz 이상과 mmWave 범위의 스펙트럼을 살펴보아야 합니다.

내용

mmWave SDR(소프트웨어 정의 라디오)의 필요성

전 세계의 통신업체들은 고객에게 서비스를 제공하기 위해 수십억 달러를 투자하여 스펙트럼을 구입했습니다.  6 GHz 미만 스펙트럼의 과도한 경매 가격은 치열한 시장 경쟁을 반영하며 이 소중한 리소스가 얼마나 부족한지를 잘 보여줍니다.  앞서 언급한 바와 같이, 섀넌의 법칙에 따르면 기본적으로 데이터 속도 향상과 용량 개선의 제한 요소는 스펙트럼입니다. 스펙트럼이 확대되면 데이터 속도가 빨라지므로 통신업체가 더 많은 사용자에게 서비스를 제공하는 한편 일관적인 성능의 모바일 광대역 데이터 환경을 제공할 수 있습니다.  반면에 mmWave 스펙트럼은 상당히 많이 남아있고 라이센스가 부여된 영역도 적기 때문에 세계의 다양한 통신업체들이 활용할 수 있습니다.  mmWave 도입의 어려움은 주로 아직 밝혀진 바가 적은 이 미지의 스펙트럼과 관련된 기술적인 문제들이 상당수 해결되지 않았다는 점입니다.

mmWave를 5G에 활용하는 데서 오는 잠재력을 최대한 활용하기 위해, 연구원들은 새로운 기술, 알고리즘 및 통신 프로토콜을 개발해야 합니다. mmWave 채널의 근본적인 속성은 현재의 셀룰러 표준과 다르며 상대적으로 덜 알려졌기 때문입니다.  특히 이러한 초기 단계에서는 mmWave 프로토타입 제작의 중요성을 아무리 강조해도 끝이 없습니다.  mmWave 시스템 프로토타입을 구축해 보면 시뮬레이션만으로는 확인할 수 없는 기술 또는 개념의 구현 가능성을 입증할 수 있습니다.  다양한 시나리오에서 실시간 및 무선으로 통신하는 mmWave 프로토타입은 mmWave 채널과 관련된 의문점들을 해결하는 한편 기술 도입과 보급의 기폭제가 될 것입니다.

 

그림 1: 3GPP 및 IMT 2020로 정의된 세 가지 하이 레벨 5G 사용 사례

이를 위해 NI는 엔지니어와 연구원들이 mmWave 시스템의 프로토타입을 신속하게 제작할 수 있도록 해주는 세계 최초의 실시간 mmWave 프로토타이핑 시스템을 제공합니다.  유연한 모듈형 하드웨어를 강력한 어플리케이션 소프트웨어와 결합하는 NI mmWave 트랜시버 시스템은 mmWave 어플리케이션을 위한 SDR입니다.  mmWave 트랜시버는 전체가 SDR이기 때문에 연구원들은 완벽한 모듈형 하드웨어와 소프트웨어를 통해 설계를 빠르게 구축한 후에 소프트웨어를 사용하여 빠르게 반복함으로써 설계를 최적화할 수 있습니다.    

mmWave 통신 시스템 프로토타이핑

완벽한 mmWave 통신 프로토타입의 제작에는 여러 가지 난관이 있습니다.  다중 GHz 채널을 처리할 수 있는 기저대역 서브시스템이 있다고 가정해 봅시다.  오늘날의 LTE 구현은 대부분 10 MHz 채널(최고 20 MHz)을 사용하기 때문에 연산 부하는 대역폭과 정비례합니다.  다시 말해, 5G 데이터 속도 요구사항을 충족하기 위해서는 연산 용량을 100배 이상 늘려야 합니다.  오늘날의 LTE 터보 디코더에 사용되는 알고리즘은 연산 집약적이며 데이터를 실시간으로 처리하기 위해 고성능 컴퓨팅 하드웨어를 필요로 합니다.  FPGA는 이러한 연산에 이상적인 하드웨어 솔루션을 제공하며, 초광대역 터보 디코딩을 위해서는 FPGA가 필수적입니다.

FPGA가 mmWave 프로토타이핑 시스템의 핵심 요소로 간주되어야 함에도 불구하고, 다중 GHz 채널을 처리할 수 있는 다중 FPGA 시스템을 프로그래밍하면 시스템이 더욱 복잡해집니다.  시스템 복잡성과 소프트웨어 당면 과제를 해결하기 위해 NI는 mmWave 시스템 광대역의 근본적인 측면을 고려하는 물리적 계층을 소스 코드에 제공합니다. 또한 작업을 간소화하기 위해 여러 FPGA에 걸쳐 데이터 이동 및 프로세싱을 위한 추상화 기능을 제공합니다.  


FPGA는 mmWave 프로토타이핑 시스템의 일부에 불과합니다.  데이터는 데이터가 처리되는 디지털 도메인과 무선으로 신호가 송수신되는 아날로그 도메인 사이를 오갈 수 있어야 합니다.  DAC 및 ADC 기술의 발전으로 인해 1-2 GHz 사이를 캡처할 수 있게 되었습니다.  현재 시장에는 몇 가지 mmWave 주파수 IC가 있습니다.  이러한 IC를 mmWave 트랜시버 시스템에서 ADC 및 DAC에 연결하여 평가하고 프로토타이핑 작업을 수행할 수 있습니다.  하지만 RFIC는 채널 사운딩 및 통신 프로토타이핑에 필요한 고전력 출력이나 RF 품질을 제공하지 않습니다.   보다 높은 전력과 더 나은 품질의 RF를 통합하기 위해 IF 단계에서 신호를 12 GHz로 변환합니다.  그 다음에 마지막으로, mmWave 라디오 헤드를 IF 모듈에 연결합니다.  프로토타이핑 시스템을 처음부터 새로 만드는 방식으로 개발하려는 경우에는, 이 프로토타이핑 시스템의 각 부분마다 각기 다른 설계 전문성이 필요하며 상당한 엔지니어링 리소스를 투입해야 합니다.  하드웨어 설계에서 중요하지 않은 부분이 없으며, 모든 단계를 제어하고 동기화하기 위한 소프트웨어는 맞춤형 시스템 설계를 한층 복잡하게 만드는 요소가 됩니다.  mmWave 트랜시버 시스템은 엔지니어가 개념 및 알고리즘 설계부터 프로토파이핑까지 보다 빠르게 진행할 수 있도록 도와주는 완벽한 프로토타이핑 솔루션을 제공합니다.


NI는 네 가지 상용 mmWave 프로토타이핑 시스템 구성을 제공하며, 아래에 자세히 설명되어 있습니다.  PXIe 플랫폼을 기반으로 하는 mmWave 트랜시버 시스템은 2 GHz 대역폭 광대역 프로세싱 서브시스템, 2 GHz 광대역 필터링된 중간 주파수(IF) 단계 및 LO 모듈, 섀시 외부에 있는 모듈형 mmWave 라디오 헤드로 구성되어 있습니다. 아래 그림 2는 시스템 다이어그램입니다.

그림 2: mmWave 시스템 다이어그램

이 모듈형 접근 방식으로 다양한 채널 및 구성에 맞게 모듈을 추가하거나 제거함으로써 수정할 수 있는 유연한 하드웨어 플랫폼을 형성합니다.  사용자는 전체 NI mmWave 솔루션을 사용하는 쪽을 선택하거나 자체 RF를 NI IF 및 기저대역 시스템에 통합할 수 있습니다.  또한 같은 시스템을 사용하여 같은 IF 및 기저대역 하드웨어와 소프트웨어로 다양한 대역을 프로토타이핑할 수 있습니다.  시스템은 채널 사운딩 같은 어플리케이션의 단방향 SISO 시스템에서 전체 2채널 양방향 통신 링크를 사용하여 병렬로 송수신할 수 있는 양방향 MIMO 시스템으로 확장될 수 있습니다.  다양한 시스템 요소 및 구성에 대해서는 이 문서에서 자세히 다룰 예정입니다.  어플리케이션 고유의 소프트웨어에 대해서는 본 기술 백서에서 다루지 않습니다.

mmWave 트랜시버 시스템 하드웨어

mmWave 트랜시버 시스템은 시스템 프로토타입을 포함한 mmWave 어플리케이션을 구축하기 위한 SDR 플랫폼입니다. 실시간 무선 mmWave 통신 연구가 가능한 유연한 하드웨어 플랫폼 및 어플리케이션 소프트웨어에 사용자가 액세스할 수 있습니다.  소프트웨어는 사용자에게 개방되어 있으며 연구 과정에서 필요에 따라 수정할 수 있습니다. 따라서 특정 목표에 맞게 설계를 반복하고 최적화할 수 있습니다.

NI mmWave 트랜시버 시스템은 PXIe 섀시, 컨트롤러, 클럭 분배 모듈, FlexRIO FPGA 모듈, 고속 DAC, 고속 ADC, LO 및 IF 모듈, mmWave 라디오 헤드로 구성되어 있습니다. 다양한 구성으로 모듈을 조립하여 채널 사운딩부터 MMO 통신 링크 프로토타이핑까지 여러 가지 mmWave 어플리케이션을 충족할 수 있습니다.  이 문서에서는 mmWave 트랜시버 시스템에서 사용되는 하드웨어의 자세한 개요와 모듈이 상호작용하는 방법에 대해 설명합니다.  시스템에 대한 세부적인 성능 사양은 mmWave 트랜시버 시스템 데이터 시트에서 찾을 수 있습니다.


PXI Express 섀시

mmWave 프로토타이핑 시스템은 PXIe-1085 섀시를 기반으로 합니다.  섀시는 다양한 프로세싱 모듈을 수용하며 전원 공급 장치, 상호연결, 타이밍 및 동기화 인프라를 제공합니다. 이 18 슬롯 섀시는 모든 슬롯에 PCI Express Generation 3 기술을 탑재하여 높은 처리량과 낮은 지연 시간을 요구하는 어플리케이션에 사용할 수 있습니다. 이 섀시는 4 GB/s의 슬롯당 대역폭 및 24 GB/s의 시스템 대역폭을 지원합니다.  PXIe-1085는 그림 3의 시스템 다이어그램에 나와 있는 듀얼 스위치 백플레인 아키텍처를 사용합니다.  PXI의 유연한 설계 덕분에 채널 카운트가 높은 시스템을 구축할 때 여러 섀시를 데이지 체인 방식으로 연결하거나 별 모양으로 구성할 수 있습니다.

그림 3: 18슬롯 PXIe-1085 섀시(a) 및 시스템 다이어그램(b)

재구성 가능한 고성능 FPGA 프로세싱 모듈

모든 SDR의 중심에는 소프트웨어와 물리적 계층을 구성하는 연산 요소가 있습니다.  mmWave 프로토타이핑 시스템은 단일 슬롯 FPGA 모듈을 사용하여 LabVIEW로 프로그래밍할 수 있는 유연한 고성능 프로세싱 모듈을 PXIe 폼팩터 내에 추가합니다. PXIe-7976R FlexRIO FPGA 모듈은 독립형으로 사용할 수 있으며, 맞춤 설정이 가능한 대형 Xilinx Kintex-7 410T를 제공하여 PCI Express Generation 2x8을 PXI Express 백플레인에 연결할 수 있습니다. mmWave 트랜시버 시스템은 소프트웨어 구성 가능한 방식으로 특정 구성에 따라 다양한 처리 작업을 여러 FPGA에 맵핑합니다.


그림 4: PXIe-7976R FlexRIO 모듈(a) 및 시스템 다이어그램(b)

높은 데이터 처리량이 요구되는 어플리케이션을 위한 고성능 FPGA

NI PXIe-7902 FPGA 모듈은 Xilinx Virtex 7 485T로 구축된 강력한 처리 모듈입니다.  이 대형 FPGA는 mmWave 물리적 계층과 같이 처리 작업이 집중적으로 이루어지는 어플리케이션에 적합합니다.  이 모듈은 PCIe Gen 2 x8의 속도로 PXIe 섀시 백본 전체에 데이터를 전송할 수 있습니다.  이보다 빠른 데이터 속도를 지원해야 하는 어플리케이션을 위해, PXIe-7902에는 24개의 MGT(멀티 기가비트 트랜시버)로 구성된 miniSAS HD 프런트패널 커넥터 6개도 포함되어 있습니다.  MGT를 다른 PXIe-7902 모듈에 연결하거나 DAC, ADC 등의 다른 모듈에 연결하면 멀티채널 기저대역 신호에서 최고 2 GHz의 리얼타임 대역폭을 지원할 수 있습니다.

그림 5: PXIe-7976R FlexRIO 모듈(a) 및 시스템 다이어그램(b)

초광대역 DAC 및 ADC

PXIe-3610 DAC는 아래의 그림 6에서, PXIe-3630 ADC는 그림 7에서 볼 수 있습니다.  이 두 가지 모델은 4개의 MCX 프런트패널 커넥터를 통해 아날로그 기저대역 차동 I/Q 페어에 접근할 수 있습니다.  이러한 모듈은 서로 연결해 기저대역 루프 백 테스트 시스템으로 활용하거나, PXIe-3620 IF 모듈 또는 타사 기저대역 하드웨어에 연결할 수 있습니다.  표 1은 기본 성능 정보입니다.  자세한 성능 정보는 mmWave 트랜시버 시스템 데이터 시트에서 확인할 수 있습니다.

표 1: PXIe-3610과 PXIe-3630의 기본 성능 사양

그림 6: DAC 모듈 및 블록 다이어그램

그림 7: DAC 모듈 및  블록 다이어그램

 

12 GHz IF 모듈

PXIe-3620 LO/IF 모듈은 송신 체인 1개와 수신 체인 1개를 각각 최고 2 GHz 대역폭으로 처리할 수 있습니다. NI PXIe-3620은 입력 신호를 통합 LO와 혼합해 기저대역 신호를 소프트웨어로 프로그래밍 가능한 10.5 – 12 GHz 사이의 IF로 업컨버트합니다.  수신의 경우, NI PXIe-3620은 10.5 - 12GHz 사이의 입력 IF를 기저대역으로 컨버팅합니다.  이 모듈에는 내부 게인 컨트롤이 포함되어 있으며 최대 7 dBm의 신호를 송신하고 20 dBm의 신호를 수신합니다.  PXIe-3620 또한 NI 3647 및 NI 3657 mmWave 헤드를 위한 LO 참조 신호를 제공합니다.  LO/IF 모듈은 외부 LO 신호를 선택적으로 수용할 수 있으며, 다른 IF 모듈을 위한 LO 신호로 MIMO 토폴로지 내 다중 송수신 스트림을 동기화하도록 할 수도 있습니다.  차동 I/Q 페어는 장치 프런트패널의 MXC 연결을 통해 접근 가능합니다.

그림 8: PXIe-3620 IF 모듈

mmWave 헤드

NI 3647 및 NI 3657 모듈형 송수신 라디오 헤드는 NI mmWave 트랜시버 시스템을 위한 고품질 RF 신호를 제공합니다.  NI 3647 mmWave 헤드 트랜스미터는 최고 25 dBm 출력 전원* 및 2 GHz RF 대역폭으로 71-76 GHz 사이의 주파수를 지원합니다.  이 트랜스미터는 71-76 GHz NI 3657 mmWave 리시버와 페어링됩니다.  이를 통해 혼 안테나, 위상 배열 안테나 등 사용자가 제공한 안테나에 연결될 수 있는 장치의 전면에 WR-12 도파관 포트를 제공합니다.  NI 3647 송신 라디오 헤드는 주파수 멀티플라이어로 동작해 업컨버팅을 수행합니다.  라디오 헤드에는 최대한의 게인 컨트롤 및 노이즈 수치를 위해 감쇠기와 증폭기가 포함되어 있습니다.  mmWave 트랜시버 시스템에 대한 상세한 전체 RF 사양 정보는 제품 데이터 시트에서 확인할 수 있습니다.

그림 9: 71-76 GHz mmWave 라디오 헤드

*25 dBm 출력 전원은 일부 지역에서만 지원됩니다.  20 dBm 출력 전원 버전은 전 세계에서 이용 가능합니다.

시스템 구성 옵션

NI mmWave 트랜시버 시스템은 광범위한 통신 요구 사항을 충족하는 유연한 하드웨어 플랫폼입니다.  시스템에 하드웨어를 추가하거나 제거해 다양한 유형의 시스템을 구축할 수 있기는 하지만, 가장 일반적인 사용 사례를 충족하는 4가지 기본 설정은 다음과 같습니다.

 

  • 단방향 SISO
  • 단방향 2x2 MIMO
  • 양방향 SISO
  • 양방향 2x2 MIMO

 

단방향 시스템

2개의 단방향 옵션은 트랜스미터 1개가 포함된 PXIe 섀시 1개와 리시버가 1개가 포함된 PXIe 섀시 1개로 구성된 총 2개의 PXIe 섀시로 구성됩니다.  이 설정은  채널 사운딩 측정에 적합합니다.  이 설정으로는 송수신 서브 시스템을 물리적으로 분리해 다양한 환경에서 채널 사운딩 측정을 수행할 수 있습니다.  이 PXIe 기반 시스템은 모듈형 특성을 갖추어 더욱 정확한 각도에서 도달 측정이 가능하도록 수신 채널을 추가하는 등 다른 하드웨어를 간편하게 추가해 다양한 연구를 지원할 수 있습니다.  병렬 수신 또는 병렬 송수신 구현을 위해 다른 수신 채널을 추가하는 방법의 대안으로, SISO 시스템에 외부 스위치를 추가할 수도 있습니다.  이처럼 뛰어난 유연성에 힘입어 연구자들은 필요한 측정 속도와 설정에 최적화된 하드웨어 설정을 선택할 수 있습니다.  mmWave 트랜시버 시스템이 MIMO 아키텍처를 위해 설계되었기 때문에 위상 응집을 위해 각 채널 간에 LO를 손쉽게 공유할 수 있습니다.  이 시스템의 SISO 및 2x2 MIMO 버전 다이어그램은 그림 10과 11에서 각각 확인할 수 있습니다.

그림 10: 단방향 SISO 설정

그림 11: 양방향 MIMO 설정

 

양방향 시스템

양방향 시스템 설정은 채널당 각 섀시에 수신기와 송신기가 1개씩 포함된 PXIe 섀시 2개로 구성됩니다.  이러한 시스템은 통신 프로토타이핑을 위해 설계되어 리얼타임 양방향 통신 링크를 생성하는 데 필요한 하드웨어를 제공합니다.  mmWave 통신 연구에는 아직도 알려지지 않은 부분이 매우 많습니다.  mmWave 채널에서 신호의 동작 방식을 결정하는 것이 중요합니다.  상세하게 규정된 채널 모델을 선택하면 알고리즘 개발자에게 도움이 되지만, 결국에는 리얼타임 통신 링크를 프로토타이핑 하여 이러한 새로운 주파수 스펙트럼에서의 성능을 검증할 필요가 있습니다.  새로운 물리적 계층과 무선 인터페이스를 검증하려고 하든, 아니면 기존의 LTE 물리적 계층을 2 GHz와 같은 초고대역폭을 지원하도록 조정하는 방법을 찾으려 하든 상관없이 NI mmWave 트랜시버 시스템을 사용해 실시간으로 성능을 프로토타이핑할 수 있습니다.  NI의 mmWave 시스템을 추가적인 FPGA 프로세싱 및 LabVIEW와 결합할 경우, 최대 2GHz 대역폭까지 변조, 복조, 코딩, 터보 디코딩 작업을 실시간으로 처리할 수 있습니다. 이러한 시스템은 통신 프로토콜의 개발 및 테스트를 위한 플랫폼으로 사용되도록 설계되었습니다.  6GHz 서브 통신과는 달리, mmWave 신호는 방향성이 매우 강하며 프로토콜을 사용해 2개 이상의 모드가 서로를 찾을 수 있도록 해야 합니다.  빔 조정 또는 랜덤 접근 프로토콜의 일부 등으로 제어 및 측정 정보 교환을 위한 노드도 필요합니다.  그림 11과 12는 이러한 양방향 시스템 설정을 보여주는 다이어그램입니다.


그림 12: 양방향 SISO 설정

그림 13: 양방향 MIMO 설정

요약

NI의 mmWave 트랜시버 시스템은 채널 사운딩부터 리얼타임 양방향 통신 시스템 프로토타이핑에 이르는 다양한 작업에 사용될 수 있는 모듈형 하드웨어 세트입니다.  PXI 플랫폼을 기반으로 하는 이 시스템은 유연한 모듈 세트로 제공되므로 끊임없이 달라지는 연구 관련 요구 사항을 충족하도록 다양한 설정으로 조합이 가능합니다.  mmWave 라디오 헤드 또한 모듈형으로 설계되었으며, 다른 RF 프런트엔드로 교체해 동일한 하드웨어와 소프트웨어 기본 세트로 서로 다른 여러 주파수를 조사할 수 있어 엔지니어링 설계 시간을 단축하고 시스템 재사용률을 극대화할 수 있습니다.  이 하드웨어는 LabVIEW의 성능과 결합되어 mmWave 통신 프로토타이핑을 위한 탁월한 플랫폼을 제공하며 엔지니어가 더욱 빠르게 혁신적인 기술을 개발하는 데 많은 도움이 됩니다.