5G 무선 통신, massive MIMO, 스펙트럼 모니터링을 비롯한 다양한 어플리케이션에 이상적인 ‘NI USRP RIO’ - 스페셜리포트

Special Report

5G를 위한 계측테스트 장비

5G 무선 통신, massive MIMO, 스펙트럼 모니터링을 비롯한 다양한 어플리케이션에 이상적인 ‘NI USRP RIO’

한국내쇼날인스트루먼트 전략마케팅부 5G 솔루션 담당 한정규 팀장

1. 5G와 관련된 계측ㆍ테스트 기술 및 시장동향

무선 데이터 수요가 기하급수적으로 증가하면서 연구원들은 무선 데이터와 네트워크의 용량을 비약적으로 확대할 수 있는 새로운 기술을 찾게 됐다. 업계 전문가들은 현재 잡혀있는 인프라 구축 계획을 감안하더라도 데이터 수요는 계속해서 네트워크 용량을 초과할 것이라는데 의견을 모으고 있다. 따라서 이런 상황이 ‘과연’ 일어날 것인지가 아니라 ‘언제’ 일어날 것인지에 논의의 초점이 맞춰지고 있다. 무선 서비스 제공업체들은 앞 다투어 3GPP 로드맵에 따라 MIMO(multiple input, multiple output), 캐리어 어그리게이션(Carrier Aggregation) 등의 새로운 혁신기술을 도입하여 4G LTE, LTE-A, 그리고 그 이상으로 네트워크를 업그레이드할 계획을 세우고 있다.

그러나 현재의 기술 발전 추세로는 기하급수적으로 증가하는 수요를 감당하기 어려운 것이 사실이다. 이러한 어려움에 직면한 전 세계의 무선 연구원들은 5세대, 즉 5G 네트워크에서 중요한 역할을 하게 될 새로운 무선 기술을 모색하기 시작했다. 혁신을 추구하는 연구원들은 단순히 용량만 향상시키는 것이 아니라 셀 엣지 부분의 커버리지와 안정성을 개선하고, 서비스 제공을 위한 에너지 효율성을 향상시키며, 지연 시간을 줄이는 것을 목표로 삼고 있고, 이 모든 개선사항은 네트워크의 전반적인 응답성을 향상시키게 된다.

2. 5G 시대에 대응하는 NI의 계측 테스트 장비

USRP RIO

NI USRP RIO는 차세대 5G 무선 통신 시스템을 개발하는 무선 통신 설계자들에게 유래 없는 성능을 갖춘 SDR을 저렴한 가격에 제공함으로써, RF 시장에 혁신을 일으킨 제품이다. USRP RIO는 최신 2x2 MIMO RF 트랜시버와 LabVIEW로 프로그래밍 가능한 DSP 기반 Kintex 7 FPGA를 탑재하고 있다. 무선 통신 개발자들이 LabVIEW를 통해 일관적인 설계 흐름을 활용한다면 프로토타입을 더욱 신속하게 제작하고 결과를 도출하는 시간을 크게 단축할 수 있다. NI USRP RIO 제품군은 USRP 플랫폼을 더욱 확장하여 사용자가 SDR 프로토타이핑을 더욱 손쉽게 수행할 수 있도록 한 것으로, 성능과 능률적인 소프트웨어 툴 흐름이라는 두 가지 장점을 모두 갖추고 있다. 따라서 5G 무선 통신, massive MIMO, 스펙트럼 모니터링을 비롯한 여러 가지 영역의 다양한 어플리케이션에 이상적인 제품이다.

1). USRP RIO 아키텍처

NI USRP RIO SDR 플랫폼은 채널당 40 MHz의 리얼타임 대역폭을 갖춘 2개의 전이중(full-duplex) 송수신 채널과 대형 DSP 기반 Kintex 7 FPGA를 결합하여 1U 반폭의 랙에 마운트할 수 있는 폼팩터에 넣은 제품이다. 아날로그 RF 프런트 엔드는 120MS/s로 클럭 설정된 듀얼 ADC와 DAC를 통해 대형 Kintex 7 410T FPGA와 연동된다.

각 RF 채널에는 TX1과RX1 포트를 사용하여 하나의 안테나에서 시분할 이중통신(TDD) 작업을 하거나, TX1과RX2의 두 포트를 사용하여 주파수분할 이중통신(FDD) 작업을 할 수 있는 스위치가 포함되어 있다.

USRP RIO 장비에는 50 MHz ~ 6 GHz에 달하는 주파수 옵션과 사용자가 프로그램 할 수 있는 외부 장비 제어용 디지털 IO 라인을 갖춘 6가지 종류가 있다. Kintex 7 FPGA는 재구성 가능한 LabVIEW FPGA 타깃으로 속도가 빠르고 지연시간이 짧은 어플리케이션을 위한 DSP48 코프로세싱(Co-processing)

기능이 통합되어 있다. 시스템 컨트롤러의 뒷면에 있는 PCIe Express x4 연결부는 데스크탑이나 PXI 새시로 최고 800 MB/s, 노트북으로 최고 200 MB/s 속도의 스트리밍 데이터 전송을 지원한다. 이연결부에 케이블을 연결하면 최대 17개의 USRP RIO 장비까지 하나의 PXIe 섀시에 연결할 수 있으며, 이러한 장비들을 다시 데이지 체인 연결하여 대역폭이 넓은 다채널 어플리케이션을 구현할 수도 있다.

2). 최적화된 RF 성능

USRP RIO의 RF 성능은 장비 제조 시에 결정되며, IQ 불균형, DC 오프셋, 절대 정확도를 보상하기 위해 장비의 EEPROM에 교정 상수가 명시되어 있다.이렇게 교정을 실시하면 장비가 신호를 송신하는지 수신하는지에 관계없이 LO와 이미지 스퍼가 크게 개선되며 장비의 전체 작동 주파수 범위에 걸쳐 절대 전력 레벨 정확도가 +/- 3dB 향상된다.

USRP RIO 시스템 블록 다이어그램

3). 타이밍과 클럭 분배

NI USPR-294xR 장비에는 범용 오실레이터로 사용할 수 있는 TCXO(온도 제어 오실레이터)가 기본 주파수 참조로 포함되어 있다. NI USPR-295xR 장비에는 GPS를 사용하지 않고도 정확한 주파수를 제공하는 정밀 GPS 기반 OCXO가 내장되어 있으므로, GPS 위성 네트워크에 연동시키면 주파수 정확도가 크게 향상된다.

모든 USRP RIO 모델에는 내부 또는 외부 클럭 참조를 사용하는 옵션이 포함되어 있으며, 클럭 참조와 타임 베이스를 다른 장비로 반출할 수 있는 기능도 추가로 제공된다. Ref In 포트는 ADC/DAC 클럭과 로컬 오실레이터가 기준으로 하는 10 MHz 참조를 받는다. PPS In은 표준 초당 펄스 포트 또는 범용 디지털 트리거 입력 라인으로 사용할 수 있다. Ref Out과 PPS Out은 이러한 신호 중 하나를 주변 장비로 전달하여 여러 채널로 구성된 시스템을 구축할 수 있도록 해준다. 8채널 OctoClock을 사용하여 증폭된 클럭을 배포하면 이를 Ref In과 PPS에 연결하여 대규모의 동기화된 시스템을 구축할 수 있다. 여러 개의 Octoclock을 사용하면 100개 이상의 동기화 채널을 갖춘 시스템을 제작하는 것도 가능하다.

4). 연결 옵션

USRP RIO의 주요 버스 인터페이스는 PHY/MAC 연구에 사용되는 어플리케이션처럼 고 대역폭 저 지연 시간 어플리케이션을 효과적으로 연결해주는 PCIe x4이다. 이 버스를 통해 800MB/s의 속도로 데이터를 스트리밍하고 LabVIEW FPGA에서 FPGA를 맞춤 설정할 수 있다. 이 인터페이스는 NI USRP-292x 및 NI USRP-293x 장비용으로 작성된 프로그램과도 하위 호환된다. 또한 NI USRP RIO에는 향후의 소프트웨어 업그레이드에도 대응할 수 있도록 몇 가지 포트가 함께 포함되어 있다. 이러한 추가적 포트의 예로는 뒤편 패널의 SFP+ 연결부와 앞면 패널의 USB JTAG 디버그 포트 등이 있다.

그림은 USRP RIO를 노트북, 데스크톱 PC, 또는 견고한 PXI 섀시에 연결할 수 있는 인터페이스 옵션을 보여준다. USRP RIO를 PXI 섀시에 연결하면 호스트 P2P를 거치지 않고도 PXI 섀시의 백플레인을 통해 여러 개의 USRP RIO 사이에 데이터를 공유할 수 있다.

USRP RIO 인터페이스 옵션

3. NI 장비의 차별화된 경쟁력-‘시뮬레이션이 아닌, 실시간 프로토타이핑 솔루션 제공’

내쇼날인스트루먼트는 5G 표준을 정립하기 위해 개발자와 과학자들이 5G 소프트웨어 기반 무선통신(SDR)을 연구하고, 개발하고, 테스트할 수 있는 새로운 방식을 제안했다.

NI의LabVIEW Communications System Design Suite는 현재 여러 개의 소프트웨어 툴과 서로 호환되지 않는 하드웨어를 동원하여 세 개의 복잡한 단계에 걸쳐 진행되던 작업을 하나의 워크플로우로 통합하고 다중 호환 하드웨어를 사용하여 쉽게 관리할 수 있도록 한다. 기존의 3단계 과정은 다음과 같다.

-알고리즘 개발: 무선통신의 부동점모델을 생성하는 일반적인 툴을 사용하여 연구팀이 진행한다.

-시스템(무선) 맵핑: 표준에서 벗어난 독특한 수작업 툴을 사용하여 시스템(무선) 설계팀이 진행한다.

-시스템(무선) 구현: 하드웨어에 필요한 코드를 생성하는 여러 가지 비표준 툴을 사용하여 실행팀이 진행한다.

나를 비롯한 분석팀은 현재 상태로는 최종 사용자가 5G 모바일에 요구하는 기능과 수요를 감당하지 못할 것이라 생각한다. 우리는 태블릿에서 3D 영화를 보고 싶어 하며, 핸드폰에서 이미지 라이브러리를 사용하고자 하며, 착용 가능한 기기에는 실시간 시각화 기능을 기대한다. 5G 통신에 대한 기대치를 충족하기 위해서는 새롭고 차별화된 방식으로 통신 시스템을 설계해야 한다. 기존의 접근 방식으로 해결하기에는 5G가 너무나 복잡한 탓이다.

꼭 과학자나 개발자가 아니더라도 내쇼날인스트루먼트의 설계 방식을 사용하면 각 단계마다 여러 팀이 같은 툴을 공유하며 협력하게 된다는 사실을 쉽게 알 수 있다. 개발자들은 NI가 제시하는 새로운 방식을 통해 프로토타입 제작과 테스트 비용을 크게 절감하고 시간을 단축한다. 6개월만 빨리 출시하더라도 성패를 좌우할 수 있는 시장 환경에서 이는 큰 장점으로 작용한다. 물론 키사이트 테크놀로지스와 같은 NI의 경쟁사들도 각 단계에서 사용되는 주력 제품을 개선하고 있지만, 전 단계를 아우르는 설계 방식을 제시하는 기업은 NI뿐이다. 5G에 접근하는 NI의 전략을 살펴보면 예전에 헨리 포드가 자동차 설계와 대량 생산에 접근하던 방식을 떠올리게 된다.

-LabVIEW로 알고리즘 개발: 반복적인 모델링이 가능한 체계적인 단일 툴 체인을 사용하여 통합팀 또는 설계팀이 진행한다.

-LabVIEW로 시스템(무선) 맵핑: 신속한 하드웨어 맵핑과 분석이 가능한 체계적인 단일 툴체인을 사용하여 통합팀 또는 설계팀이 진행한다.

-LabVIEW로 시스템(무선) 구현: 하드웨어에 ‘모델링’이 가능한 체계적인 단일 툴 체인을 사용하여 통합팀 또는 설계팀이 진행한다.

4. 5G 유망 기술

1). Massive MIMO

Massive MIMO는 기지국 또는 eNodeB에서 다량의 안테나(> 64)를 사용하여 무선 데이터 속도와 링크 안정성의 비약적인 향상을 가져올 것이라 전망되고 있다. 이 기술은 한 서비스 지역의 토폴로지에서 6~8개의 안테나를 사용하는 기존의 eNodeB 아키텍처와는 전혀 다르다. Massive MIMO는 수백 개의 안테나 요소를 갖추고 프리코딩 기술을 사용하여 타깃 모바일 유저에게 무선 에너지를 집중함으로써 채널의 파워를 절감한다. 에너지를 특정 사용자에게 집중하면 채널 내 파워가 절감될 뿐만 아니라, 다른 유저들에 대한 간섭도 줄어든다. 만약 Massive MIMO가 성공적으로 구현된다면 미래의 5G 네트워크는 오늘날의 네트워크에 비해 1/100의 에너지를 소비하면서도 더욱 빠르고, 더 많은 유저를 수용하며, 뛰어난 안정성을 갖게 될 것이다.

USRP RIO 시스템 블록 다이어그램

2). 네트워크의 고밀화(Densification)

모바일 유저들이 사용할 수 있는 스펙트럼이 한정되어 있기 때문에 연구원들은 특정 지역에서 eNodeB의 숫자를 늘림으로써 데이터 속도를 향상시키는 방법을 모색하고 있다. 기존에는 3 km2의 영역에 하나의 eNodeB를 설치하여 액세스 포인트 역할을 하게 했지만, 네트워크 밀집화가 되면 이 숫자가 크게 늘어난다. 5G 연구의 밀집화 영역에는 스몰셀, 이기종 네트워크(‘het-net’), 피코셀, 펨토셀, 릴레이 등이 포함되어 있다. 이러한 방식은 모두 서비스 지역의 액세스 포인트 밀도를 높이는 것이다. 주파수가 아니라 지역에 따라 스펙트럼을 쪼갠다는 개념 자체는 비교적 단순하지만, 실제 구현은 상당히 까다롭다. 우선 네트워크 사업자가 여러 개의 액세스 포인트를 전략적으로 배포해야 장비들이 서로 간섭을 일으키지 않는다. 또한 장비의 위치와 각 장비의 출력, 해당 지역의 여러 액세스 포인트들을 어떻게 조율할 것인가도 고려해야 한다.

3). 새로운 파형

4G와 4G+ 네트워크는 OFDM(orthogonal frequency division multiplexing)이라는 파형 타입을 물리적 계층(PHY)의 기본 요소로 채택하고 있다. OFDM은 다중 경로를 무선 전송의 공통 자원으로 활용하여 데이터 속도와 네트워크 안정성을 크게 향상시키기 때문에 사실상 현대의 거의 모든 통신 네트워크는 OFDM을 기반으로 하여 구축되어 있다. 그러나 시간이 지나고 수요가 증가함에 따라 OFDM 기술에서는 대역 외 스펙트럼 재성장(Spectrum Regrowth) 때문에 사이드 로브가 높아져 스펙트럼 효율성이 떨어진다는 문제가 발생했다. 즉, 인접한 채널에 있는 두 명의 사용자가 서로를 간섭하기 때문에 네트워크 사업자들이 가용 스펙트럼을 효율적으로 사용할 수 없게 되었다는 의미이다. 또한 OFDM은 전력 증폭기의 높은 피크-평균 비 때문에 모바일 단말기의 배터리 수명이 낮아지는 결과를 가져왔다. 이러한 OFDM의 단점을 해결하기 위해 GFDM(Generalized Frequency Division Multiplexing), FBMC(Filter Bank Multi-carrier), UFDM(Universal Filter Multi-carrier) 등의 다른 방법에 대한 연구가 진행되고 있다. 연구원들은 이러한 방법 중 하나를 OFDM 대신 사용하면 네트워크 용량을 30% 이상 향상시키면서도 모든 모바일 단말기의 배터리 수명을 개선할 수 있을 것이라 예상하고 있다.

4). mmWave 통신

스펙트럼 가용성의 중요성은 점점 더 높아지고 있다. 섀넌 이론(Shannon Theory)에서는 채널의 용량을 대역폭과 신호-노이즈 비의 함수로 상정한다. 현재의 신호 처리 기술이 노이즈 비 측면에서 이미 섀넌 한계점에 도달하고 있는 가운데, 네트워크 용량을 크게 늘리기 위해서는 더 많은 대역폭이 필요하다. 이전에는 6 GHz 이상 주파수 대역에서의 통신이 실현 불가능한 것으로 간주되었기 때문에 최근까지 연구원들은 주로 6 GHz 이하 주파수 대역에서의 스펙트럼 가용성에만 초점을 맞춰 왔다. 그러나 최근의 연구를 통해 mmWave 주파수 범위, 특히 28 GHz, 38 GHz, 60 GHz, 72 GHz의 주파수에서도 통신을 할 수 있으며, 상업용 배포의 가능성도 있음이 밝혀졌다. 이러한 주파수에서의 전송은 경로 손실이 심하지만, 연구원들은 높은 게인과 기지국에서의 위상 배열 안테나, 고급 신호 처리 기술을 사용하여 이 경로 손실을 보상하고 있다. mmWave 대역에는 상당한 양의 가용 스펙트럼이 있기 때문에 mmWave 통신의 잠재력은 많은 관심을 받고 있다. 일부 주파수에서는 통신사들이 오늘날의 20 MHz에 비해 사용 당 최대 2 GHz의 연속 스펙트럼을 실현할 수 있다. 더 많은 스펙트럼이 확보되면 네트워크 용량을 1000배로 증가시키는 것도 불가능한 일은 아니다.

5. 무선통신과 관련된 NI의 향후 계획

업계를 선도하는 최고의 통신 기업들과의 협업을 지속해 나갈 예정이다.

- 세계 최초의 실시간 GFDM 통신 시연 (TU Dresden)

- 세계 최초의 실시간 73GHz mmWave, 2Gbps 통신 시연 (Nokia)

- 세계 최초의 실시간 73GHz mmWave, 10Gbps, 2x2 MIMO

통신 시연 (Nokia)

- 세계 최초의 실시간 Full Duplex Radio 통신 시연 (연세대학교)

- 세계 최초의 실시간 FD-MIMO 통신 시연 (Samsung Research

America)