NI mmWave 트랜시버 시스템으로 서브 테라 헤르츠 테스트 베드 생성

개요

무선 커뮤니티는 5G 통신 시스템용으로 밀리미터파 (mmWave) 주파수를 사용하고자 분주히 움직이고 있습니다. 5G 연구의 상당수가 다양한 사용 사례의 영향을 받고 있으나, 연구자들은 6G의 초기 연구 주제 중 하나인 더 높은 주파수 대역에 주목하기 시작했습니다. 

서브 테라헤르츠와 테라헤르츠에 주목하는 이유는?

mmWave 주파수는 무선 통신용의 가용 스펙트럼을 광범위하게 제공하며, 그렇기 때문에 5G에서 중요한 역할을 합니다. 이러한 스펙트럼의 장점을 활용하기 위해서는 전파 손실, 디바이스의 전력 소비, mmWave 칩셋 생산 비용 등 수많은 난제들을 먼저 해결해야 합니다. 이러한 문제가 해결되지 않은 상태라면, 통신용 THz 스펙트럼을 분석해도 큰 의미가 없습니다.

그림 1. 무선 주파수와 활용 방법[1]

mmWave와 유사하게 THz용으로 사용 가능한 스펙트럼은 상당히 많습니다. 그러나 mmWave와 달리 THz는 다른 방식으로도 활용될 수 있습니다. 이러한 활용 방법은 크게 다음과 같이 다섯 가지 범주로 나뉩니다:

  • 로보틱 컨트롤을 포함한 무선 인식
  • 대기 품질 감지부터 터치리스 스마트폰용 제스처 감지까지 다양한 센서 기능
  • 보안 검색기를 포함한 이미징
  • 데이터 센터 등 단거리의 데이터 처리량이 많은 커뮤니케이션 또는 내부 디바이스 무선 통신
  • 센티미터 수준의 정확도로 포지셔닝

서브 테라헤르츠 테스트베드

5G와 유사하게 테스트베드 및 프로토타입을 구축하면 단순한 시뮬레이션을 넘어 가설과 아이디어를 현실에서 구현할 수 있습니다.위에 소개한 다양한 응용 분야를 검토하려면 무선(OTA)으로 통신할 수 있는 테스트베드를 갖추는 것이 중요합니다. 여기에는 까다로운 신호 프로세싱 요구사항뿐만 아니라 고주파수 아날로그 사양이 필요합니다. 따라서 이러한 주파수에서 이용되는 넓은 대역폭에서 데이터를 처리하고 스트리밍해야 합니다. 또한 서브 테라헤르츠 및 테라헤르츠 신호를 전송할 수 있어야 합니다.

NI는 mmWave 트랜시버 시스템(MTS)을 사용해 이러한 연구 유형을 위한 mmWave 테스트베드를 구축한 경험을 폭넓게 쌓았습니다. MTS는 모듈형 설계를 채택하고 있으므로, 간단하게 무선 헤드를 대체하는 것만으로 서브 테라헤르츠 연구에서도 같은 하드웨어와 소프트웨어를 사용할 수 있게 됩니다. Virginia Diodes (VDI)는 MTS와 함께 사용하여 서브 테라헤르츠 테스트베드를 구축할 수 있는 일련의 업컨버터 및 다운컨버터를 제공합니다.

그림 2. VDI 무선 헤드가 있는 mmWave 트랜시버 시스템

MTS에서 처리하는 기저 대역을 활용하여 무선 헤드가 다르더라도 최소한의 수정 작업만으로 동일한 소프트웨어를 재사용할 수 있습니다. 현재 MTS에서 사용 가능한 소프트웨어 참조 아키텍처는 두 가지입니다. 하나는 단일 캐리어 통신 링크를 위한 물리적 계층이며, 다른 하나는 채널 사운딩에 사용됩니다.

채널 사운딩 시에는 단방향 SISO MTS 기저 대역과 IF 하드웨어 설정, VDI의 업컨버터 하나와 다운커버터 하나, 루비듐 클럭 소스를 활용하여 SISO 시스템을 구축할 수 있습니다. 아래의 그림은 채널 사운더로 사용된 MTS에서 일어나는 기본 신호 프로세싱 절차를 보여줍니다.

그림 3. 채널 사운딩 블럭다이어그램

시스템은 소프트웨어 GUI에 채널 임펄스 반응(CIR)과 같은 정보를 표시하기 위해 리얼 타임으로 수신한 데이터를 처리합니다. 이러한 인터페이스는 사용자가 시각적으로 빠르게 채널을 이해할 수 있도록 지원합니다. 오프라인에서도 계측 데이터가 기록되며 추가 프로세싱 역시 가능합니다. 처리되지 않은 원시 신호를 저장해야 하는 경우, 시스템에 스토리지를 추가할 수 있습니다. 아래에서 채널 사운딩의 프런트패널 GUI 참조 설계를 확인할 수 있습니다. 이 소프트웨어를 사용할 때 사용자는 시스템 보정을 해야 합니다. 파워 미터로 수행할 수 있으나, 사용하는 안테나의 복잡도에 따라 추가 보정이 필요할 수 있습니다.

그림 4. 채널 사운더 프런트패널 GUI

MTS 및 VDI 라디오를 무선 통신 링크로 활용할 때 물리적 계층 참조 아키텍처를 기반으로 하는 단일 캐리어를 사용할 수 있습니다. 이 소프트웨어는 2 GHz 순시 대역폭 및 최대 4x4 MIMO에서 사용 가능합니다. 이는 채널 사운더와 같은 기반 하드웨어를 사용하나, 리얼 타임 신호 디코딩을 가능하게 하기 위해 추가 FPGA가 필요합니다. FPGA는 그림 5에서 보이는 바와 같이 신호를 처리합니다.

그림 5. 단일 캐리어 PHY 프로세싱 블럭다이어그램

단일 캐리어 참조 아키텍처는 라이트 MAC 계층이 있는 완벽한 물리적 계층으로 채널마다 약 7.3 Gbps의 데이터를 처리할 수 있습니다. GUI는 그림 6에서 살펴볼 수 있습니다.

그림 6. 단일 캐리어 물리적 계층 GUI

MTS와 VDI 무선 헤드를 조합하면 다양한 무선 통신 연구 목적으로 사용 가능합니다. 5G mmWave용이든 6G 서브 테라헤르츠 연구용이든, 모듈형의 소프트웨어 기반 시스템은 최대한 재사용할 수 있도록 하여 연구자들이 빠르게 혁신을 이루도록 설계되었습니다.