현재와 미래의 통신 시스템을 위한 소프트웨어 정의 플랫폼

블루투스, WiMAX, cdma2000, ZigBee, GSM, EDGE, RFID 등 무선과 통신 표준의 종류는 전례없는 매우 빠른 속도로 증가하고 있습니다. (그림 1) 이와 동시에 V CAST로 축구 시청, Google Earth로 위치 데이터 획득 등이 매우 보편화되고 있습니다. 이는 마이크로소프트, 보다폰, 구글 등의 서비스를 통해 더욱 가속화되고 있습니다. 더욱 증가된 데이터 대역폭에 대한 끊임없는 요구와 여러 나라에서 무선 통신의 사용이 지상 통신의 사용을 능가하고 있다는 사실을 종합적으로 감안한다면, 모바일 통신이야말로 이러한 요구를 효과적으로 충족할 수 있는 매개체가 됩니다.

그림 1. 무선 네트워크 및 연결에 대한 요구가 무선과 통신 표준 "정체(log jam)"를 발생

제품 출시 경쟁이 치열해짐에 따라 연구와 설계 속도가 테스트 속도 보다 빨라지고 있습니다. 제조업체들은 표준이 완성되기도 전에 ZigBee와 802.11n 디바이스를 출시하고 있습니다. 기존의 인스트루먼트 제조업체에서 생산한 미리 정의된 표준 테스트 시스템은 이제 흔적을 감추었습니다. 이는 기존의 무선 표준 출시, 주요 사용자간의 디바이스 프로토타입, 대량 상용화를 위한 테스트 기기 개발의 주기가 오래 걸린다는 사실에 기인합니다. 본 모델이 수십가지의 표준에 수평적으로 적용되어 동일 시간 내에 출시된다는 것을 감안하여, 테스트 기기 제조업체들은 어려운 결정을 내려야 합니다. 이 결정은 표준에 준수한 테스트 기기를 사용하여 시장 출시를 늦추거나, 연구 개발에 몇 백만 달러를 투자하여 표준을 만들어내는 것입니다. 이로 인해 엔지니어들은 유연성있는 out-of-the box 솔루션을 모색해야 합니다.

융통적인 소프트웨어 정의 테스터

테스트시 RF와 무선 기술을 지속적으로 발전시키기는 한 가지 방법은 엔지니어들이 새로운 채널 코딩과 변조 기술 또는 알고리즘을 모델링할 수 있는 소프트웨어를 이용하는 것입니다. 논리적인 솔루션은 소프트웨어 정의 접근방식을 계측에 접목하여 모듈형, 범용 RF 인스트루먼트를 통해 신호를 생성하고 측정하는 코딩 및 변조 소프트웨어를 사용하는 것입니다. 이 같은 테스트를 위한 소프트웨어 정의 라디오 (SDR) 방식은 완벽하게 어플리케이션 구동 방식이며 사용자 정의됩니다. 본 방식을 이미 적극적으로 추진 중인 곳은 미국방부 (DoD)입니다. "SDR은 군대에서 동맹군과 언제라도 작전 통신할 수 있는 상호 운영가능한 라디오 제품군을 개발할 수 있도록 하는 전환적인 기술입니다." 라고 합동 시스템 프로그램 및 JTRS 합동 프로그램을 지휘하고 있는 Steven MacLaird 대령이 언급했습니다. (SDR Forum, 2003년 8월호) 본 기능을 설명하기 위해 그림 2에서 내쇼날인스트루먼트 LabVIEW 소프트웨어의 간단한 디지털 통신 연결이 설명되어 있습니다. 포함된 VI에는 송신 측면의 소스 코딩, 채널 코딩, 변조, 업컨버전과 수신기 측면의 다운컨버전, 복조, 채널 디코딩, 소스 디코딩이 있습니다. 실제 통신 연결에는 또한 하드웨어 기기와 전송이 진행되는 물리적 채널이 포함됩니다.

그림 2. LabVIEW용 NI Modulation Toolkit으로 개발을 진행하면
엔지니어들은 설계중인 디지털 통신 시스템에 이어서 코드를 모델링할 수 있습니다.

사례 연구: 텍사스 주립대의 MIMO-OFDM 개발

소프트웨어 정의 계측의 주요 어플리케이션이 MIMO-OFDM 시스템의 개발을 통해 증명되었습니다. MIMO (다중 입력, 다중 출력)와 OFDM (직교 주파수 분활)의 조합은 4G 모바일 휴대폰 통신과 802.11n Wi-Fi 데이터 네트워킹을 포함한 최신 무선 및 데이터 표준에 기반한 두 가지 새로운 기술로써, 가입자수를 늘리고 휴대폰과 컴퓨터의 처리량을 향상시키기위해 고안되었습니다. OFDM의 장점은 RF 간섭에서 회복, 높은 스펙트럼 효율성, 낮은 다중 경로 왜곡 등이 있으며, MIMO 방식은 다중 경로 신호 전파를 사용하여 대역폭을 증대합니다. 텍사스주 오스틴 소재 텍사스 주립대의 Wireless Networking and Communications Group (WNCG)에서는 본 시스템의 특성을 연구하여 MIMO-OFDM의 연구와 장점에 대한 검증을 거쳤습니다. 세 명의 WNCG 연구원이 진행한 연구에는 두 가지 주요 컴포넌트, 즉 시뮬레이션과 하드웨어 완벽 통합이 포함되며, 이는 6주 이내에 완성되었습니다.

시뮬레이션을 위해, 데이터 시뮬레이션 및 분석 함수 (VI)가 있는 NI LabVIEW를 사용하였습니다. LabVIEW 환경은 또한 통신 시스템 설계, 시뮬레이션 및 분석을 위해 특수 확장 제작된 두 가지 툴킷인 NI Spectral Measurements Toolkit 및 NI Modulation Toolkit for LabVIEW를 제공합니다. 본 툴들을 사용하여 채널 코딩, 전력, 전송 속도 등의 컨트롤 시스템 파라미터를 직접 제어하는 동시에, 시스템의 면역과 응답을 결정하기 위해 페이딩(fading) 및 다중 경로 간섭을 추가합니다. 또한 시뮬레이션을 사용하여 실시간 데이터와 정보를 전송함으로써 물리적 계층 파라미터 및 채널 특성 조정의 효과를 확인하였습니다. 이는 소프트웨어 정의 시스템에서만 가능합니다. 또한, WNCG 팀은 안테나 갯수와 안테나에서 수신된 데이터 처리 알고리즘을 조정함으로써 데이터 처리 효과를 검증할 수 있었습니다. 본 환경에서, WNCG 연구진은 시뮬레이션을 통해 차세대 데이터 통신을 위한 MIMO-OFDM의 장단점을 효과적으로 평가할 수 있었습니다. 그림 3은 MIMO-OFDM 연구중 WNCG가 사용한 인터페이스 중 하나입니다.

그림 3. 송수신된 이미지 비교를 위해
텍사스 주립대 WNCG 그룹이 사용한 NI LabVIEW MIMO-OFDM 인터페이스

완벽한 실행을 위한 시뮬레이션 소프트웨어 사용

그 후 팀은 하드웨어 기반의 MIMO-OFDM 무선 송수신 시스템을 개발하기 위해 소프트웨어 시뮬레이션 코드를 재사용하였습니다. 여기서, 임의 파형 생성기 모듈(기저대역 및 IF 주파수 생성) 및 MIMO-OFDM 시스템 업링크를 구축하기 위한 RF 업컨버터 모듈 등, 시스템 개발을 위해 NI 모듈형 계측기를 사용하였습니다. 유사하게, WNCG 팀은 무선 트랜스시버 다운링크를 위해 디지타이저와 RF 다운컨버터 모듈을 사용하였습니다. 그 후, 높은 처리량 및 리얼타임 측정 프로세싱을 위해 임베디드 컨트롤러로 PXI 섀시에 모듈을 설치하였습니다. 그림 4는 내쇼날인스트루먼트의 PXI-5660 RF 벡터 신호 발생기 및 PXI-5670 RF 벡터 신호 분석기를 포함한 시스템입니다.

그림 4. 두 개의 안테나가 있는 송수신 MIMO-OFDM 시스템의 블록 다이어그램

개발 후 WNCG 연구진은 하드웨어 기반의 송수신 시스템으로 가설 및 시뮬레이션 결과를 검증할 수 있었습니다. 소프트웨어에서 MIMO-OFDM 송신기와 수신기 시스템을 시뮬레이션하고 설계하였으므로, 소프트웨어 정의 하드웨어를 사용하여 단 6주만에 시뮬레이션에서 실제 무선 연결에 이르기까지 간단명료하며 효율적인 전환을 이룰수 있었습니다.

소프트웨어 정의 인스트루먼트에 대한 송신기 설계 문제는 정확한 변조를 이루기 위해 원하는 신호를 조합하는 것입니다. NI Modulation Toolkit for LabVIEW에는 정확한 변조를 위하여 캐리어 신호를 메세지로 변경하기 위해 필요한 여러 개의 기본 원칙이 있습니다. 툴킷은 또한 공통적인 채널 코딩, 등화(equalization), 및 측정 함수가 있어 파형을 생성하고 분석하는 것이 간단해집니다. 파형을 일단 생성한 후 (속도, 대역폭, 주파수 및 기타 하드웨어의 파라미터 구성) 파형을 다운로드하여 생성을 완료합니다.

미래에도 검증되는 플랫폼을 제공하는 소프트웨어 정의 통신 시스템

소프트웨어 정의 통신 테스트 시스템을 채택하는 움직임이 더욱 가속화되고 있습니다. 표준 개발과 함께 테스트 시스템을 개발할 수 있으므로 여러 조직에서 적극적으로 이 기술을 수용하고 있습니다. 소프트웨어 정의 테스트는 현재 통신 시스템을 위한 솔루션을 제공하지만, 더욱 중요한 사실은 신생 및 미래의 통신 시스템을 위한 패러다임과 플랫폼을 제공한다는 사실입니다.

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