자일링스(Xilinx) 징크(Zynq) SoC와 ADI V밴드 칩셋을 기반으로 이뤄지는 완전한 60㎓ 양방향 데이터 통신 방식은 소형 백홀 시장에 적합한 성능과 다목적성을 제공한다.
세계 무선 네트워크의 데이터 수요가 점점 늘어나면서 사업자들은 2030년까지 무선 용량을 5000배 증가시킬 방법을 모색하고 있다. (참고문헌 : Evolutionary and Disruptive Visions Towards Ultra High Capacity Networks: IWPC. 2014년 4월) 이러한 목표를 달성하려면 지금보다 채널 성능이 5배, 할당 스펙트럼이 20배, 기지국 수가 50배 증가해야 한다.
신규 기지국의 대부분은 트래픽이 주로 발생하는 실내에 배치될 것이며 이런 환경에서 트래픽을 네트워크로 재전송하는 데에는 광섬유가 가장 적합하다. 그러나 광섬유를 사용할 수 없거나 연결 비용이 지나치게 높은 실외 환경에 설치해야 하는 경우도 많다. 이 경우 가장 적합한 대안은 무선 백홀이다.
무선 백홀을 활용할 경우 5㎓의 비허가 스펙트럼이 사용될 수 있으며 LOS(Line of Sight) 경로가 불필요하다. 하지만 대역이 한정되어 있고 트래픽 혼잡과 다양한 안테나 패턴 때문에 해당 스펙트럼 내의 다른 사용자로 인한 간섭이 일어날 가능성이 높다.
60㎓의 통신 링크는 무선 용량에 대한 수요를 충족시켜야 하는 실외 기지국에 이러한 백홀 링크를 제공하기 위한 주요 기술로 부상하고 있다. 이 또한 비인증 스펙트럼이지만 6㎓ 미만의 주파수와 달리 최대 9㎓의 대역까지 사용 가능하다. 주파수가 높을 경우 좁고 집중된 안테나 패턴을 생성해 외부 간섭을 어느 정도 피할 수 있으나 LOS 경로를 필요로 하게 된다.
FPGA(Field Programmable Gate Array) 및 SoC(System On a Chip) 기반의 모뎀은 이를 사용하는 모듈식 및 맞춤형 플랫폼이 OEM의 TCO(total cost of ownership)를 절감할 수 있기 때문에 점점 더 다양한 백홀 솔루션에 활용되고 있다. 이러한 링크 중에서 무선 부문의 경우 트랜시버가 실리콘 기반의 IC로 집적돼 저렴한 표면실장형 부품으로 변화돼 왔다.
[그림1]의 예시에서 볼 수 있듯이 상용 부품만으로도 완전한 60㎓ 양방향 데이터 통신 링크를 구축할 수 있다. 자일링스와 히타이트 마이크로웨이브(現 아나로그디바이스의 자회사)에서 개발한 이 설계에는 자일링스 모뎀과 아나로그디바이스의 밀리미터파 무선 장치가 포함돼 있다. 해당 링크는 소형 무선 백홀 시장에서 필요로 하는 성능과 다목적성 요건을 충족한다.
[그림1]에서 나타낸 것처럼 이러한 링크를 생성하기 위해서는 2개의 노드가 필요하다. 각 노드에는 송신기(와 변조기), 아날로그 송신기 체인, 수신기(와 복조기) 및 아날로그 수신기 체인이 포함돼 있다.
모뎀 카드는 아날로그 및 개별 장치에 통합돼 있다. 여기에는 주파수 합성의 정확성을 담보하기 위해 디지털 방식으로 실행되는 발진기가 내장돼 있으며 이 모든 디지털 기능은 FPGA나 SoC에서 실행된다.
싱글 캐리어 모뎀 코어는 최대 500㎒ 채널 대역에서 QPSK에서 256 QAM까지의 변조를 지원하며 최대 데이터 속도는 3.5Gbps애 달한다. 모뎀은 또한 주파수 분할 듀플렉스(FDD)와 시간 분할 듀플렉스(TDD) 송신 방식을 모두 지원한다. 안정적인 모뎀 설계 기법으로 국부 발진기에서 발생하는 위상 잡음의 영향을 줄이며 성능 향상과 링크 예산 감소를 위해서는 강력한 저밀도 패러티 체크(LDPC) 코드가 포함됐다.
◇ 밀리미터파 모뎀
밀리미터파 모뎀을 사용하면 인프라 공급자가 무선 백홀 네트워크용으로 비용 최적화된 다목적의 맞춤식 링크를 개발할 수 있다. 밀리미터파 모뎀은 어디에나 적용이 가능하고 전력 소비와 풋프린트가 작으며 점대다점 마이크로파 링크뿐 아니라 실내나 실외의 점대점 링크도 배치할 수 있다. 사업자는 해당 솔루션을 통해 확장 가능하며 현장에서 업그레이드할 수 있는 시스템을 설치할 수 있다.
[그림2]는 SoC 기반의 솔루션에 내장된 디지털 모뎀을 조금 더 자세히 살펴본 것이다. 프로그래머블 논리(PL) 외에도 플랫폼의 확장 가능한 프로세싱 시스템(PS)에는 듀얼 ARM 코어텍스(Cortex)-A9 코어가 통합 메모리 컨트롤러 및 주변기기용 다방식(multi-standard) I/O와 함께 내장돼 있다.
이러한 SoC 플랫폼은 다양한 데이터 및 제어 기능을 수행하고 하드웨어를 가속화하는 데 사용된다. [그림2]는 PHY, 컨트롤러, 시스템 인터페이스, 패킷 프로세서를 갖춘 완전한 통합 밀리미터파 모뎀을 보여주고 있다. 하지만 요구되는 아키텍처를 기반으로 여러 모듈을 삽입하거나 업그레이드, 제거가 가능하다.
예를 들어 XPIC 결합기를 설치해서 모뎀을 다른 모뎀과 교차 편파 상태로 사용할 수도 있다. 이러한 솔루션은 PL에서 실행되는데 이때 SERDES와 I/O가 모뎀과 패킷 프로세서, 패킷 프로세서와 메모리, 모뎀과 모뎀이나 DAC와 ADC 사이 같은 다양한 데이터 경로 인터페이스에 사용된다.
모뎀 IP의 기타 중요한 기능으로는 적응형 변조 및 코딩(ACM)을 통해 링크를 작동 상태로 유지시키기 위한 자동 히트리스(hitless) 및 무오류 상태 스위칭, RF 전원 증폭기 효율과 선형성을 향상시키기 위한 적용 가능한 디지털 폐쇄 루프 전치 왜곡(DPD), 클록 동기화를 유지하기 위한 동기식 이더넷(SyncE), 리드 솔로몬이나 LDPC 전향 오류 정정(FEC) 등이 있다.
FEC를 선택할 때에는 설계 요건을 기반으로 해야 한다. LDPC FEC는 무선 백홀 애플리케이션에서 기본 선택 사항인 반면 리드 솔로몬 FEC는 프론트홀 같이 지연 속도가 낮은 애플리케이션에서 선호된다.
LDPC를 구현하는 경우 최적화율이 높고 인코더와 디코더의 연산을 위해 FPGA 병렬 방식이 사용된다. 이렇게 하면 상당한 SNR 이득을 확인할 수 있다. LDPC 코어의 반복 횟수를 조정해서 다양한 수준의 병렬 방식을 적용시킬 수도 있다. 이 외에 채널 대역과 처리율 제약을 바탕으로 설계를 모델링할 수도 있다.
이러한 모뎀 솔루션에는 디스플레이 및 디버깅을 위한 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)가 함께 제공되며 하드웨어 레지스터 설정 같은 저수준의 기능 외에 채널 대역이나 변조 선택 같은 고수준의 기능에도 사용될 수 있다.
[그림1]과 같은 솔루션에서 5.6Gbps의 처리율을 달성하기 위해서는 모뎀 IP가 440㎒의 클록 속도로 실행돼야 한다. ADC와 DA를 지원하기 위해서는 연결 인터페이스용 기가비트 트랜시버가 5개 필요하며 10GbE 페이로드나 CPRI 인터페이스에는 더 많은 기가비트 트랜시버가 필요하다.
◇ 밀리미터파 트랜시버 칩셋
아나로그디바이스는 이러한 소형 셀 백홀 애플리케이션용 설계에 사용되는 2세대 실리콘 게르마늄(SiGe) 60㎓ 칩셋을 최적화했다. 여기서 송신기 칩은 아날로그 기저대역을 밀리터리파로 변환하는 완전한 업컨버터다.
향상된 주파수 합성기는 250㎒ 단계에서 57㎓~66㎓를 지원하며 이때의 위상 잡음은 최소 64QAM의 변조를 지원할 수 있을 정도로 낮다. 출력 전원은 거의 16dBm으로 증가했으며 통합 전원 검출기는 출력이 규제 한도를 넘지 않도록 모니터링한다.
송신기 칩은 아날로그나 디지털 방식으로 IF 및 RF 이득을 제어한다. 아날로그 이득 제어는 개별 이득 변화가 진폭 변조로 잘못 해석돼 비트 에러로 이어질 수 있는 고차 변조를 사용할 때 필요할 수 있다. 내장식 SPI 인터페이스는 디지털 이득 제어를 지원한다. 좁은 채널에서 보다 고차의 변조가 필요한 애플리케이션이라면 위상 잡음이 더욱 낮은 외부 PLL/VCO을 송신기에 삽입하여 내부 합성기를 우회할 수 있다.
[그림3]은 최대 1.8㎓의 대역폭을 지원하는 송신기 칩의 블록 다이어그램을 보여준다. MSK 변조기 옵션을 사용하면 비싸고 전력을 많이 소비하는 DAC를 사용할 필요가 없어 낮은 비용으로 최대 1.8Gbps의 데이터 송신이 가능하다.
이 장치를 보완하기 위해서는 마찬가지로 소형 셀 백홀 애플리케이션의 요건을 충족시킬 수 있도록 최적화된 수신기 칩이 사용될 수 있다. 수신기의 입력은 P1dB 입력이 -20dBm로 IIP3 입력이 -9dBm로 크게 증가해 접시 안테나의 높은 이득이 수신기에 입력될 때 높은 신호 수준으로 이어지는 짧은 범위의 연결을 처리할 수 있다.
다른 주요 특징으로는 최대 이득 설정시 잡음 수치가 6dB로 낮으며 저역 기저대역 필터와 고역 기저대역 필터의 조정이 가능하고, 송신기 칩에서 볼 수 있는 것과 동일한 신형 합성기가 내장돼 있어 57~66㎓ 대역에서 64QAM 변조를 지원하고 IF와 RF 이득의 아날로그 또는 디지털 제어를 제공한다는 점 등이 있다.
[그림4]는 수신기 칩의 블록 다이어그램을 나타낸 것이다. 수신기에도 OOK(on/off keying) 같은 진폭 변조를 복조화하는 AM 검출기가 포함돼 있다는 점에 주의해야 한다. 또 FM 판별기는 단순한 FM나 MSK 변조를 복조화한다. 이는 QPSK와 더 복잡한 QAM 변조용 쿼드러처 기저대역 출력을 복구하는 데 사용되는 I/Q 복조기에 추가된다.
송신기와 수신기 모두 4㎜×6㎜의 BGA 유형, 웨이퍼 수준의 패키지로 판매된다. 이러한 표면실장형 부품을 사용하면 백홀 애플리케이션용 무선 보드의 제조 원가를 낮출 수 있다.
[그림5]는 예제로 제시한 밀리미터파 모뎀과 무선 시스템의 블록 다이어그램을 나타낸 것이다. 해당 설계에는 FPGA, 모뎀 소프트웨어, 밀리터리파 칩셋 외에도 여러 부품들이 포함돼 있다. 1.2비트 듀얼 채널의 1GSPS ADC와 최대 2.8GSPS를 지원하는 16비트 쿼드 채널 TxDAC, 그리고 ADC, DAC IC 모두에 사용되는 JESD204B 직렬 데이터 인터페이스를 지원하는 초저 지터 클록 합성기가 여기 포함된다.
◇ 시연 플랫폼
[그림6]의 플랫폼은 시연에 사용할 목적으로 자일링스와 아나로그디바이스가 협력해 개발한 것이다. 이 플랫폼을 구현하는 데에는 자일링스의 개발 보드에 설치된 FPGA 기반의 모뎀과 ADC, DAC, 클록 칩, 무선 모듈 평가 보드 2개로 구성된 업계 표준 FMC 보드가 사용됐다.
시연 플랫폼에는 모뎀과 화면 디스플레이 제어를 위한 노트북과 일반적으로 발생하는 밀리미터파 링크의 경로 손실을 복제하기 위한 가변 RF 감쇠기가 사용됐다. 개발 보드에 설치된 FPGA는 WBM256 모뎀 펌웨어 IP를 실행시킨다. 개발 보드에 설치되는 업계 표준 FMC 메자닌 커넥터는 기저대역과 밀리미터파 무선 보드를 연결하는 데 사용된다.
밀리미터파 모듈은 기저대역 보드에 설치되며, 외부의 국부 발진기를 선택 사용할 때 필요한 SMA 커넥터뿐 아니라 60㎓ 인터페이스용 MMPX 커넥터를 포함한다. 시연 플랫폼에는 주파수 분할 듀플렉스 연결의 각 방향당 250㎒ 채널에서 최대 1.1Gbps의 점대점 백홀 연결을 시연하기 위한 하드웨어와 소프트웨어가 모두 포함돼 있다.
◇ 모듈화와 맞춤식 제작
FPGA는 모듈화와 맞춤식 제작이 가능하기 때문에 무선 백홀 애플리케이션용 플랫폼 구현에 사용해 비용을 절감할 수 있다. 소형 셀 백홀 시장용 밀리미터파 모뎀에 사용되는 상용 부품을 선택하는 경우 전력 효율이 뛰어난 FPGA/SoC와 고성능 광대역 IP 코어를 고르는 편이 좋다.
또 동일한 하드웨어 플랫폼에서 초당 몇 백 메가비트에서 작동하는 저렴한 소형 셀 백홀 제품부터 최대 3.5Gbps에서 작동하는 제품까지 다양한 유형의 제품을 지원하는 확장 가능한 솔루션을 고려해야 한다.
무선 부품의 경우 표면실장형 패키지의 트랜시버 IC를 사용하면 제조 원가를 낮출 수 있다. 시장에 출시된 제품으로 소형 셀 설치에 필요한 무선 백홀의 전력, 크기, 다목적성, 기능 요건을 만족시킬 수 있다. 또 완전 무선 백홀 링크에 장착할 수 있는 제품 중에서 고성능 데이터 컨버터와 클록 관리 IC도 구매할 수 있다.
<글 : 존 킬패트릭(John Kilpatrick), 로비 셰르길(Robbie Shergill), 매니쉬 신하(Manish Sinha) 아나로그디바이스 컨설팅 엔지니어>
<자료제공 : 아나로그디바이스(www.analog.com)>
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