Software Defined Radio 기술 - KAISTbrahms.kaist.ac.kr/down/file_0ORsGV.pdf · 2011-07-19 · Software Defined Radio(SDR) 기술은무선이동 통신시스템에서안테나이후의RF

I. 서 론

현재의 개인 이동통신 시스템은 세계적으로 다양한표준이 존재하고 각 지역마다 사용하는 무선 프로토콜과 대역이 달라 국제적인 로밍이 완전하게 이루어지고있지 않다. 더욱이 국제적인 표준을 제정하고자 했던IMT-2000 시스템도 유럽 주도의 비동기식 광대역CDMA 방식인 3GPP 시스템과 북미에서 주도하는 동기식 CDMA 방식인 3GPP2 시스템으로 나뉘어 표준화가진행되고있어사실적인국제표준은구현이힘든게 현실이다. 또한 통신 기술의 빠른 진보와 사용자들의 서비스 욕구로 인한 단말이나 기지국의 업그레이드가자주필요하며그때마다하드웨어장비를고치거나사용자에게 불편을 초래하지 않도록 하기 위한 기술이요구된다.Software Defined Radio(SDR) 기술은 무선 이동

통신 시스템에서 안테나 이후의 RF 영역을 포함한 대부분의 기능 블록이 프로그래밍이 가능한 고속의 처리소자에 구현된 소프트웨어 모듈에 의해 수행됨으로써하드웨어의교체없이필요한소프트웨어의재구성만으로 다중 무선접속 규격 또는 서비스 기능 등을 지원한다. SDR 기술을 이용하여 하나의 단말이나 기지국으

로다양한무선통신서비스를제공하게되면, 사용자는무선통신 시스템의 지역적 표준이나 서비스 종류에 관계없이저렴한비용으로간편하게다양한통신서비스를받을 수 있을 뿐 아니라 개인의 특성에 맞는 서비스에대한선택의폭이넓어진다. 그리고망운영을하는통신사업자는저렴한망구축비용으로융통성있는망운용이가능하며, 고객의특성에맞는새로운부가서비스의도입이용이하다. 단말기나기지국제조업체들은장비의유연성으로인해서더넓은시장을가지는제품을생산할수있다. 이동통신 시장의 큰 축을 이루는 유럽과 북미 사이

에는뚜렷한시장에대한차이가존재하며SDR에대한관점도 다르다. 유럽지역에서는 1992년부터 GSM이라는 하나의 표준을 이용해서 음성과 데이터 서비스를하고 있기 때문에 유럽내에서의 로밍은 문제가 없으며3세대이동통신시스템인3GPP가나올때까지는Softwareradio에 대한 수요가 거의 없을 것이다. 그러나 SDR기술은 GSM에서 3GPP로의 망 진화과정에서필요할것이며, 특히망구축비용을감소시키기위해기지국에서의 수요가 있을 것이다. 반면 북미에서는 현재 여러지역에서 서로 다른 서비스를 제공하는 다양한 표준이존재하기때문에로밍이문제가되어멀티모드단말기에 대한 요구가 증가하고 있는데 이를 SDR 기술을 통

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Software Defined Radio 기술

황경호·조동호

통신기술이아날로그에서디지털로빠르게이동함에따라이동통신시스템의많은기능이소프트웨어로구현되고있는상황에서세계적인공통표준이없는이동통신시스템을하나의단말을이용해서소프트웨어적인접근으로여러통신방식을이용할수있도록하는 Software Defined Radio(SDR) 기술은상당히매력적이다. SDR은 무선으로 다운로드가 가능한 소프트웨어를 통해서 무선 인터페이스의 재구성을 가능하게 하는 것이다. SDR기술을이용하면하나의플랫폼에서다양한통신방식들을사용자의요구및망관리자에의해실시간으로동작하도록할수있다.본 논문에서는앞으로이동통신시장에서큰비중을차지할것으로생각되는 SDR 기술에 대한표준화작업

과개발현황그리고SDR에서의핵심기술들을살펴본다.

황경호, 조동호: 한국과학기술원

해해결할수있을것이다.그림 1에서 보면 앞으로 몇 년이내에 하나 이상의

모드를 지원하는 단말의 숫자가 급속히 증가할 것으로전망되며, 이경우PCS나GSM, ITS, IMT-2000 등과같이 다양한 서비스뿐만 아니라 미래의 새로운 서비스의추가가용이한SDR 시스템은단일기능의시스템에비해제품의광범위한사용성과제품의수명등을고려할 때 월등한 시장 경쟁력을 갖게되어 향후 SDR 제품이이동통신기기시장을이끌어나갈것으로전망된다. SDR 기술이 상용화되면, 기존의 단말기 업계나 통

신사업자간의 기술적, 경제적 합병이나 공동사업이 불가피해지고통신업계의구조개편이이루어질것으로보인다. 현재 SDR 기술은선진국에서활발하게연구되고있으며그림 2에서보듯이점점 SDR 기술의적용가능성이 커지고 있다. 따라서 향후 5~10년 후에는 SDR기술을이용한단말이나장비가널리이용될것이나국내에서는아직인식및여력의부족으로연구가미비하다. 따라서 지금부터 체계적인 연구개발을 통해 SDR제품 개발 및 표준화를 선도할 경우, 무선통신 분야의핵심신기술을세계적으로선점할수있어엄청난부가가치를창출할것으로생각된다.본 논문에서는먼저 SDR에 관한 표준화동향을가

장 활발히 작업이 이루어지고 있는 SDR Forum을 중심으로 살펴보고, SDR 기술 관련 개발 현황과 앞으로의전망을살펴본다. 그리고 SDR 구현을위한핵심적인주요기술들에대해서살펴본후결론을맺는다.

II. 표준화현황및전망

현재 SDR에 관한 표준은 SDR Forum[1]에 의해주도되고 있다. SDR Forum은 진보된 이동통신 시스템의개방구조의개발을목적으로1996년에창설된비영리 단체로 기존의 MMITS(Modular MultifunctionalInformation Transfer System) Forum의 새 명칭이다.현재이 Forum에는국내의 ETRI, LG, 삼성을포함한전 세계 유수의 이동통신 서비스 사업자, 장비 제조업자, 정부투자연구기관, 학계등다양한조직이회원으로 가입되어 있다. 이 단체의 목표는 다중 표준환경에서 다양한 네트웍들을 통합하는 SDR 시스템의 확산을가속화시키기 위해서 개방형 구조를 채용하여 현재와미래사용자의다양한서비스요구에부응하는것이다. SDR forum의 개방형 구조는 다양한 통신 제품들

을 동일한 하드웨어 구조 위에 소프트웨어적으로 구현할 수 있도록 해줌으로써 생산자의 입장에서는 상품의개발 기간을 단축하고 상품 생산의 경제성을 향상시킬수 있다. 또한 사용자의 입장에서는 새로운 기능이나방식의 추가 및 변경이 소프트웨어적으로 가능하게 됨에 따라 구입한 장비의 이용 효율을 극대화 할 수 있는이점이있다.SDR Forum은 1년에 5번 정도의 정기 모임에서

시스템의구조에관한기술적인토의를거쳐이를기술보고서형식으로회원들에게배포하고있다. 1997년 7월에 처음 발표된 Version 1.0으로부터 1999년 4월에Version 2.0까지발표되어있다. 각버전의특징을살펴

2000년대신기술: Software Defined Radio 기술 131

그림1. 단말의지원모드별예상수요

보면다음과같다.

- Version 1.0(1997.7) : 멀티모드 차세대 이동통신시스템의기본개념정립및구조제안, 내부인터페이스설계- Version 1.1(1998.1) : 보안 기능 향상을 위해 기존제안된구조변경, 소프트웨어다운로드프로세스설정, 모듈간의소프트웨어인터페이스(API) 정의- Version 1.2(1998.7) : API와 관련된 메시지 설정,소프트웨어 다운로드 프로세스를 위한 API 메시지정의- Version 2.0(1999.4) : API, 소프트웨어 다운로드,이동시스템 및 단말 구조의 구체화, 기지국 및 위성통신영역에대한작업시작

SDR Forum은 운영(operation), 마케팅(marketing),기술(technical) 위원회로 구성된다. 그리고 SDRForum에서는 목표 시스템을 3 종류로 구분하고 있으며, 이의 규격 정립을 위해 기술 위원회 산하에 3개의Working Group으로 Handheld WG, Mobile WG,Base station WG이구성되어있다. 여기에서Mobilesystem은 이동성을 지원한다는 점에서 기존의 기지국과 구분되고, 복수 세션 및 멀티 모드를 지원한다는 점에서Handheld system과구분된다. Handheld system

은 한번에 한가지 표준의 한 세션만 지원하는데 반해Mobile system은 동시에 다중 세션이 지원되고 각 세션들은 서로 다른 표준일 수 있다. 그래서 Mobilesystem은 선박이나 비행기 또는 탱크와 같이 덩치가큰 이동물체 안에서 복수의 사용자에게 서비스를 동시에지원할수있는시스템이란점에서단일사용자가각자사용하는Handheld system과대별된다. SDR Forum은 이러한 3종류의 시스템 개발을 위

해각분야별Working Group내에 3개의 Task Group(Switcher/Download Task Group, API Task Group,Antenna API Task Group)을 가지고 있다. 현재 까지는 Handheld system과 Mobile system에 대한 연구가주고이루어졌고, 이에대한결과를활용하여기지국시스템에대한연구가활발히진행중이다.SDR Forum의 각 Working Group의 향후 일정은

다음과같다.

- Mobile WG : Mobile system 구조 실현을 위한CORBA를기반으로한완전한API의정의- BS/Satellite WG : 제안된 Mobile system 구조를기반으로기지국을위한모델설계- Handheld WG : 상용 handset을위한switcher/downloader API 개발.

132 TELECOMMUNICATIONS REVIEW·제10권 1호·2000. 1~2월

그림2. 이동통신시스템의발전과SDR의적용

SDR Forum은 표준과 API에 대한 국제적인 동의하에개방형구조의응용을넓히고SDR에기반한장비가 시스템이나 서비스의 기본이 될 수 있도록 SDR 관련 장치가자동차나컴퓨터뿐만아니라필요한모든곳에 설치되도록 하며 합리적인 가격으로 기술에 무관한유연한서비스를제공할수있도록노력하고있다.

III. 개발현황및전망

SDR 기술 개발과 관련해서 미국과 유럽에서는 여러 프로젝트가 진행되었고, 현재에도 계속 진행중이다.미국에서는DOD(Department Of Defense)와DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)가주관해서국방관련 SDR 시스템을개발하고있다. 대표적인것으로는 SPEAKeasy와 GloMo[11] 프로젝트가있다.

- SPEAKeasy I(1990~1995.5) : 프로그램화된군용개방 구조의 실현을 목표로 멀티밴드와 멀티 모드Radio (FDMA)를 개발했으며 RF 대역은 2MHz에서2GHz, 데이터율은20kbps까지이다. - SPEAKeasy II(1995~2000.2) : Military/Civil/Commercial 용의하드웨어/소프트웨어의정립과개방형HW/SW 구조를추구하며데이터율은 75bps에서 10Mbps 까지이다.- GloMo I(1994.9~1998.3) : 높은 데이터율과 고용량, 저전력 무선통신 시스템을 구축하고, 다중 경로이득과 CCI 제거를 위한 RAKE 수신기를 기지국과단말에적용했다. FM과 CDMA의Waveform을 대상으로하고있다.- GloMo II(1997.7~2000.9) : 저전력 손실과 고속동작을 위해 FPGA를 사용했으며 공간/편향 다이버시티를이용한스마트안테나를단말에적용했다. 상용의CDMA와WINGS(Wireless Internet Gateways)의Waveform을사용하며새로운프로토콜과 digitalradio의 빠르고 효과적인 통합을 위한 API를 개발하고있다.

유럽에서는상용화를목표로하는ACTS(AdvancedCommunication Technologies and Services)[9]와ESPRIT[8] 프로그램내에서 여러 프로젝트를 추진하고있다. ACTS 내의이동성과개인통신망영역(Mobilityand Personal Communications Network Domain)에속하는프로젝트로서SDR과관련이있는것은다음과같다.

- FRAMES(1995.1~1998.12) : UMTS(TD-CDMA) 시스템에서 데이터 서비스를 위해 DSP 플랫폼위에서 소프트웨어적으로 구현된 광대역 기지국

demonstrator와이동국단말기 f를개발하고있다.- FIRST(1994.1~1998.12) : DCS1800과UMTS(TD-CDMA) 시스템에서 2세대와 3세대이동시스템을위한 software radio를개발한다.- MEDIAN(1994.1~1998.12) : advanced high-capability programmable processor에서 고속의무선ATM을구현한다.- SINUS(1994.1~1998.12) : S-UMTS 시스템을위한 하드웨어 재구성이 가능한 터미널의 구조를 연구하고구현한다.- SUNBEAM(1994.1~1998.12) : 2세대와3세대무선접속표준들을지원할수있는혁신적인소프트웨어 기지국과 스마트 안테나 빔형성(beamforming)알고리즘을연구한다.- SORT(1994.1~1998.12) : UTRA와 S-UMTS 시스템에서 소프트웨어의 이동성(SW portability)와하드웨어의 재구성(HW reconfigurability)을 위한PC나 Workstation용 터미널 demonstrator를 연구개발하고설계한다.- RAINBOW(1994.1~1998.12) : 2세대(GSM,DCS1800과 DECT)와 3세대 UMTS 간 유연한 이동(migration) 해결책과 전송과 제어 기능을 위한B-ISDN에서의 UMTS 무선 접속 시스템의 통합을위한 해결책을 제시하고 UMTS 무선 접속 시스템의전송과제어에서멀티미디어서비스와다중전송률의영향을파악한다.- IBMS(1996.4~2000.3) : 4세대 시스템으로 통합광대역 이동시스템 개발과 멀티미디어 무선 채널의유연한 동적 구성(dynamic flexible configuration)을연구한다.

ESPRIT 프로젝트들에서 SDR과 관련있는 프로젝트는다음과같다.

- PROMURA(1998.1~1999.12) : 중요한 이동통신표준들(GSM/DCS1800/IS95/UMTS 등)을 지원할수 있는 프로그램이 가능한 RF 시스템의 prototype을 개발하고광대역무선솔루션을위한하드웨어블록을개발하고있다.- SALT(1998.1~1999.12) : 다중하드웨어플랫폼들에 적합한 2세대와 3세대 시스템들에 대한 소프트웨어라이브러리를개발하고있다.

SDR 기술은 Radio에서의 DSP와소프트웨어의급격한발전으로계속해서진화할것이다. 현재애플리케이션의 다운로드와 이동인터넷 접속이 이미 이루어진상황에서 망 사업자와는 무관하게 인터넷을 통해서 새로운서비스의다운로드를제공하는제3사업자 (third-party provider)가 곧 등장 할 것이다. 따라서 새로운상업적 컨텐츠나 서비스 파트너가 기존 고객의 보전과


부가서비스의제공및가입자유치에대해이동통신업체에큰영향을줄것이다. 제3세대 시스템에서스마트안테나의구현은 RF에

서 아날로그 beam steering을 사용하는 2세대와 같은접근으로는 불가능하며 디지털 수신기 구조가 필요하다. 따라서 스마트 안테나는 성능 향상이 입증되었지만, 3세대의 초기에는 비용문제로 사용되지 않을 것이나 스마트 안테나의 도입으로 인한 부가가치가 높아지면사용될것이다. 이 때기지국에서디지털수신기도입을쉽게할수있는구조가요구된다. 기본적으로소프트웨어기지국구조는단말과크게다르지않지만기지국은크기나전력사용에대한제한이단말보다훨씬적기 때문에 쉽게 구현이 가능하다. 따라서 다중 표준을 지원하는 소프트웨어 기지국 구조는 스마트 안테나를도입할때효과적일것이다.대부분의국가에서는주파수대역의많은부분이낮

은 사용률을 가지는 시스템에 영구적으로 할당되어 있는경우가많다. 주파수대역의경제적인가치가높아짐에따라서이런상황은지속되기어려울것이다. SDR기술은 ASM(Adaptive Sepctrum Management)를통해서 낭비되고 있는 무선자원을 효과적으로 이용할수있는가능성을제공한다.

IV. 핵심기술

그림 3은 SDR Forum의 SDR에대한기능별인터페이스 구조이다. 이것은 기능 블록 사이의 연결을 나타내는 상위 계층 모델로‘I’는 시스템을 통한 정보의흐름을 나타내고‘C’는 제어 흐름을 나타낸다. SDR은컴퓨터와 radio의 분리된 영역의 각 기능을 결합하는정보 전송 시스템(Information Transfer System)으로, 프로세서에서 실행되는 소프트웨어 프로그램을 바꿈으로해서동작주파수, 변조방식, 대역, 네트웍프로토콜과같은특성을하드웨어의교체없이쉽게바꿀수있는것이다.SDR을 위해서는 각기 다른 통신 규격의 기능분리

와 재구성 기술, 하드웨어 및 소프트웨어 구조 설계 기술이 필요하고 소프트웨어적으로 여러 가지 기능이 구현될수있도록광대역RF 및고속기저대역신호처리소자가 개발되어야 한다. 또한, 각 단말기와 기지국의각 계층 프로토콜의 기능을 분리하고 모듈화하여야 한다.


그림3. SDR Forum의기능별인터페이스구조

1. API의개발

SDR Forum은각개발규격에적합한구조모델을제시하지만, 각 모듈안의 세부적인 설계까지 표준화하지않는다. 그러므로가장중요한일중의하나는제시된 구조 모델 안의 각 모듈 간의 인터페이스 표준화 작업이다. 이를 위해 SDR Forum은 각 모듈 간의 인터페이스를 API (Application Programming Interface)라고 정의하고 있다. API 는 전산학 분야에서 의미하는 function call 개념만을 의미하는 것은 아니고 물리적 영역까지 포함하는 광의의 개념이다. 즉 SDRForum에서 정의되는 API는 소프트웨어 모듈간의 인터페이스, 하드웨어 간의 인터페이스 그리고 하드웨어와소프트웨어모듈간의인터페이스를모두포함한다.이처럼 광의의 인터페이스를 정의하기 위해 SDR

Forum에서는 다음과 같이 계층적 인터페이스를 정의하고있다.

- Tier 0 <Architectual> : API 구조의 최상위 계층으로서 Radio architecture를 정의한다. 이 인터페이스는양방향성을가지고, 정보와제어그리고외부인터페이스가 있다. 특정 시스템 구현을 위한 구조를설계하기위해서는 Tier 0를 기본으로다른 Tier들도정의되어야한다. - Tier 1 <Functional> : 시스템이수행해야할다양한기능을 정의하고 각 모듈간에 어떤 메시지가 교환되어야하고그안에는어떤내용을담아야하는지를정의한다.- Tier 2 <Transport and Communication> : Tier 1에서정의된메시지가어떻게전송되고교환되는가를정의한다. 예를들어S/W 모듈에서는일반적으로공유메모리를이용한C function call로정의될수있으나 다중 프로세서 환경에서는 serial link 등으로 메시지가전달및교환될수있다. - Tier 3 <Physical> : 이 레벨에서는 Plug connector나 form factor와 같이 물리적인요소들이서로어떻게결합되는지를나타낸다. 물리적인대부분의기능을 하나의 칩으로 구현시키는 제품에서는 이 인터페이스는 의미가 없지만, 각 모듈이 표준화된 plug가필요한곳에서는필수적이다.

이처럼 각 계층의 인터페이스가 표준화된다면 통신시스템은 표준화된 모듈들의 통합으로 구현할 수 있고특정 모듈의 교환 및 버전 변경은 쉽게 이루어질 수 있다. 그림 4은 tier를 이용한인터페이스구조를나타낸다.

2. RF Module 핵심기술

기존의 여러 통신방식을 통합하기 위한 SDR 기술

에서 RF 단 이전은소프트웨어로처리하고 RF와 안테나는 다중 모드의 서비스를 받기 위해서 GSM2Plus,CDMA, 3GPP, 3GPP2 모두를 수용하는광대역또는멀티밴드의특성을필요로한다.그림 5에서는 멀티 모드 radio의 채널 선택에서 하

드웨어 수신기를 여러 개 사용하는 일반적인 방법과SDR 방식을사용할때의차이를보여준다. 그림5의(a)에서는다중표준환경을위해서각채널에대해수신단을하나씩두는방식으로 carrier 주파수와채널대역에대해서 고정된 아날로그 채널 선택 필터를 이용한다.반면에 (b)에서 처럼 SDR 기술을 사용하면 수신된 다중 채널은 하나의 광대역 아날로그단과 고속의 광대역ADC를통해서디지털로바뀐다. 그리고소프트웨어로결정되는DSP의채널선택필터를통해서원하는채널이 선택된다. 그림 5(b)와 같은 SDR 기술은 ADC로시스템대역의신호를완전하게전달해주는광대역 RF단이 필요하다. 시스템 대역은 SDR이 수용하는 이동통신방식의 주파수를 모두 포함해야 한다. 예를 들면셀룰라(800MHz)와 PCS나 IMT-2000(1,8~2GHz)의대역을커버해야하며현재다중대역안테나에대한연구는활발히진행중이다.RF 모듈은 IF 블록으로부터 받은 송신신호를 RF

신호로 주파수 상향 변환, 증폭을 통해 단말기(기지국)로 송신할 수 있도록 해 주며, 기지국(단말기)으로부터수신한 RF 신호를 주파수 하향 변환시켜 IF 블록으로전달해주는기능을한다.하드웨어상으로는전치단, 트랜시버단으로나눌수

있고, 기능상으로는 전치단은 다시 송/수신 여파기, 증폭기(저잡음 증폭기, 대전력 증폭기)등으로 나뉘고 트랜시버단은다시주파수상향기, 주파수하향기, 주파수합성기등으로나뉜다. 다음은RF 단에서의핵심기술을나타낸것이다.

•RF 소자설계기술- 광대역소형화기술- Homodyne 설계기술- 고효율/선형RF 전력증폭기- IF 설계기술•안테나기술- 스마트안테나/ Chip 안테나/ Built-in 안테나- 고효율선형안테나- SAR

RF 부는크게송신단, 수신단및 PLL 모듈로구분할수있다. 기지국으로부터받은신호는단말기안테나를통하여수신경로를거친다. 수신경로는안테나→듀플렉서→LNA(저잡음 증폭기) →Down Converter(Mixer, Band pass filter 등) →RX AGC(자동 이득조정기)이다. AGC의 출력은 demodulator 이후의baseband부로신호를전달해준다.



그림4. Tier를이용한인터페이스구조

그림5. 멀티하드웨어와SDR을사용할때의채널선택비교

송신경로는 Modulator로부터 받은 IF 신호가 TXAGC →Up Converter(Mixer, Band pass filter 등)→PAM(단말기용전력증폭기) & BPF →듀플렉서→안테나를통하여기지국으로송신된다.PLL 모듈은 단말기 RF부의 다양한 주파수를 제공

해주는 핵심부이다. 이 모듈은 VCTCXO, PLL, 혼합기(Mixer)의 LO 주파수를공급하는 RF VCO, 변복조기에 여러 주파수 신호를 공급하는 IF VCO와 저대역통과 여파기(LPF) 등으로 구성된다. 단말기의 RF 블록을 그림 6에 나타냈다. 이러한 SDR 단말기 RF 부구조는 다른 통신 시스템의 단말기 구조와 동일하다고할 수 있으나, SDR의 대상서비스가 GSM2Plus +CDMA + 3GPP + 3GPP2 시스템이므로 이들을 모두수용하는RF 회로제작은또다른연구개발기술을필요로한다. SDR 단말기용 RF 모듈개발에있어서핵심기술은

다른스펙트럼신호가동일시간에상호간의간섭과잡음이없는 RF 설계와 단일모드와같은특성을내는전용 다중모드 고주파 부품 개발, 그리고 여러 주파수 신호의 변환을 위한 PLL 모듈에서의 VCO 출력 설정 및최적주파수 PLAN의 결정이 RF 모듈 개발의모든부분을 결정한다. 또한 앰프와 같이 궁극적으로 광대역

고주파 단일 부품의 구현이 불가능한 부품들에 대한multi-band 부품 특성 구현을 위한 고주파 회로 기술과 기존 단말기 제품 대비 제품 크기의 소형화, 단말기자체내에서의차폐및전자파간섭및잡음제거기술,그리고 SDR 용 안테나로서 smart 안테나의상용화등이며 이외에도 본 기술의 상용화를 위해서 CDMA,TDMA 신호의혼용에의한문제들을해결하기위한고도의 기술들이 복합적으로 필요하다. SDR 기술에 관련한 국내외적인 통일규격은 아직까지 미확정 상태다.단말기의 RF 부에 대한 주요 규격은 GSM2Plus,CDMA, 3GPP, 3GPP2 관련한 기존의 단말기 RF 부의 기술규격을기준으로개발하되, 개발 규격은국제적인기준을주시하며핵심 RF 부품 및 회로를구현하여단말기를개발해야한다.

3. Baseband DSP Module 핵심기술

Baseband에서 멀티 모드 및 소프트웨어 업그레이드를 지원하기 위해서는 SDR의 개념을 적용하는 것이필수적이다. 하드웨어 측면에서 본다면 baseband부는 DSP,

reconfigurable FPGA 그리고 전용 ASIC으로 구현된


그림6. 단말기RF 블록도

다. 소프트웨어는각각의통신방식에따른modulator부, channel codec부, channelizer부, 암호화부,time/phase tracking부 등이 software library 형태로구성되어 통신 방식에 따라 필요한 software library를baseband 하드웨어 플랫폼상에 다운로드하여 실행한다. 하드웨어부를 구성하는 방식에는 고성능의 DSPprocessor를 사용하는 방법, 멀티 모드에 대응하는ASIC을 여러 개 사용하는방법, 파라미터에의해조절가능한 ASIC을 사용하는 방법 그리고 FPGA와 같은reconfigurable logic을 사용하는 방법이 있을 수 있다.표 1은 이들 방법들의 특징을 비교한 것이다. 여러 개의 ASIC을 사용하여 SDR 하드웨어 플랫폼을 구성하는 방식은 면적을 많이 차지하고 비용이 많이 들며, 여러방식에따라소프트웨어적으로업그레이드가가능하지않는문제점이있어SDR 시스템을구성하는데적합하지않다. Parameterized 하드웨어를적용하는방식은실제구현측면에서쉽지않다. 따라서 field 업그레

이드 능력이 중요시되는 부분에 대해서는 DSP나 re-configurable FPGA를 사용하여 구현하고, 여러 통신방식에공통되는부분에대해서만ASIC을사용하는방식이 적합하다. 또한 IF 단의 상당부분을 소프트웨어적으로 구현한다는 SDR의 개념에 따라 광대역ADC/DAC를적용할경우, ADC/DAC와 baseband부사이에주파수변환을위한frequency down/up converter가필요하다. 이런기능은parameterized hardware라볼수있는PDC/PUC(Programmable Down/Up Converter)를사용하여구현한다. Digital IF, baseband modem, Channel/Source

coding을 포함하는 software reconfigurability를 요구하는 부분의 계산량은 일반적으로 그림 7에서와 같이수천 MIPS를 필요로한다. 이런 계산 요구량을 DSP만으로 구성하기에는 무리가 있다. 따라서 FPGA와DSP를사용하여 baseband를구현하는경우, 계산량과계산방식의 특성, 그리고 실시간성을 고려하여 FPGA와


High-speed DSP

Very high

Modest

Moderate/High

High

Easy

Some

Multiple ASICs

Moderate

Large

High

None

Difficult

Available

Parameterizedhardware

Moderate

Moderate

Moderate

Some

Moderate

Some

Reconfigurable logic

Low

Low

Moderate/Low

High

Easy

Unavailable

표1. 같은성능을내기위해필요한하드웨어솔루션의장단점비교

Power Consumption

Size

Cost

Field upgradable

Silicon evolution

Tools

그림7. Modem 각부분의계산량예측


구 분

프로그래밍언어

프로그래밍의용이성

성능

Reconfigurability

Reconfiguration 방법

각각의장점

power 소모

MAC 구현방법

MAC speed

Parallelism

FPGA chip

VHDL, Verilog

비교적쉬움. 그러나프로그래머는기본적인하드웨어지식이필요함

디자인하기에따라매우빨라질수있음

SRAM-type FPGA는Reconfigurabaility가좋음

새로운FPGA chip circuit 내용을전기적으로다운로드

FIR filter, IIR filter, correlator,concolver, FFT, etc.

설계하기에따라power 소모를줄일수있음

Parallel multiplier/adder 또는

distributed arithmetic

Parallel 구현을통해속도를증가시킬수있음. Filter 구현시distributedarithmetic을사용한다면 speed는

tap 수에관계없음

성능향상을위해parallel algorithm을적용할수있음

DSP

C, Assembly language

쉬움

성능의한계는DSP chip의 clock

speed에영향을받음

Memory의프로그램내용을

바꿈으로서확보가능

Memory 상의다른위치에서

프로그램을읽어가능

Sequential 처리를필요로하는 signal

processing 프로그램

Memory 양이같다면프로그램의 size에

관계없이power 소모는일정함

Repeated operation of MAC function

DSP chip의MAC operation 성능에좌우됨

Sequential program에적합한구조로parallel로구현할수없음

표2. FPGA와DSP의특성비교

DSP의 특성을 잘 살려 설계하여야 한다. 표 2에서는FPGA와DSP의구현상의특징을나열한것이다.Baseband부를멀티모드와소프트웨어업그레이드

가가능한SDR 모드로구현하기위해필요한핵심기술은다음과같다.

- 저전력, 광역PDC/PUC (ProgrammableDown/Up Converter)- 고속DSP- Reconfigurable FPGA- 표준화된HW/SW interface- DSP, FPGA, ASIC 간의효과적인 load 분배를위한HW/SW co-design- SDR 구현에효과적인Channel Codec Library- SDR 구현에효과적인baseband modem algorithmlibrary- 신호처리알고리즘 library- Download software의 load를줄이기위한download mechanism

4. Software Download

SDR 기술은소프트웨어로구현된대부분의기능을쉽게고칠수있어다양한통신방식이나부가서비스의수행을용이하게할수있다. 이처럼 SDR 장비의동작을고치거나성능향상을위해서새로운프로그램을적용하는 과정을 Software Download라고 한다. 새로운사용자애플리케이션이나그래픽인터페이스(GUI), 프로토콜스택과물리계층변경소프트웨어등을다운로드 할 수 있으며 소프트웨어 버그를 고칠 수도 있다.Software Download 방식으로는 SIM 카드나 컴퓨터를 통해서 할 수 있고, 모뎀이나 네트웍 장비, 또는ATM(Automatic Teller Machine)을 이용할 수 있다.그리고, 무선으로 통해서 소프트웨어를 다운로드 받을수있다. 스마트 카드를 이용하는 방식과 무선으로 다운로드

를 받는 방식에는 각각 장단점이 있다. 스마트 카드는에러가 없고 빠른 다운로드가 가능하며 네트웍에 아무런 영향을 주지 않는다. 하지만, 비용이 많이 들고, 사용자의불편을초래하며소프트웨어를저장할메모리와기타장비들이필요하다. 반면에무선을통한다운로드

는값이싸고, 소프트웨어가즉시바뀌며사용자가부가적인 행동을 할 필요가 없다. 그러나 소프트웨어 다운로드중에에러가발생할수있고, 속도가느리며네트웍에 큰 영향을 준다. 그리고 무엇보다 무선 다운로드에대한표준화가반드시필요하다.

소프트웨어다운로드의일반적인과정은다음과같다.- 초기화(Initiation) : 다운로드의소스장비또는단말은다운로드요구를초기화한다.- 상호 인증(Mutual authentication) : 소스 장비와단말사이의인증이필요하다.- 능력 교환(Capability exchange) : 단말이 다운로드되는 코드를 성공적으로 수행할 수 있도록 구성될 수있는지확인한다.- 다운로드승인교환(Download acceptance exchange): 소스는 코드의 종류와 다운로드 과정, 과금 그리고라이센싱에관한정보를제공한다.- 다운로드/에러 테스트(Download/integrity test) :소스로부터단말의버퍼로코드가다운로드되고받은데이터는 테스트를 거쳐 에러가 있을 경우 재전송을요구한다. - 인스톨(Installation) : 코드를 컴파일하고 인스톨한다.- In-situ 테스트(In-situ test) : 선택사항으로서 프로그램과 같이 받은 테스트 벡터를 이용해서 변경된 동작이제대로수행되는지확인한다.

- 지급 교환(Nonrepudiation exchange) : SDR 장비는 인스톨이 성공적으로 마친 것을 확인하고 해당 금액을지불한다.

5. 프로토콜핵심기술

SDR 프로토콜의 기본 구성은 GSM2Plus, CDMA,3GPP, 3GPP2 등의프로토콜중에서공통되는부분을도출해 내어 공통 분모를 만들고 각각의 프로토콜에서만지원되어져야할부분은Software radio에서지원한다. SDR 기반단말기의프로토콜구조는그림 8과같이여러구성요소로이루어진다.

(1) Micro controller : 실시간 처리가 필요한 에러검출코드생성및검출기능등을하드웨어 논리를 이용하여 지원하고 이벤트가 자주 발생하지않는사건은 firmware를 이용하여처리한다.

(2) RTOS : 통신 프로토콜소프트웨어에서필요로하는기본기능을라이브러리로제공하며프로세스상호간의통신을지원한다.

(3) Protocol Stack : GSM2Plus, CDMA, 3GPP,3GPP2,옥내 통신의 무선 접속 인터페이스프로토콜들을 계층별로 구현하고표준인터페이스를지원한다.


그림8. SDR 단말기프로토콜모델


그림9. 소프트웨어구조모델

(4) 신호 응용서비스 : 제어영역의다양한멀티미디어호처리를담당한다.

(5) 마이크로프로세서 : 응용프로토콜을지원한다.(6) Middle ware : Client/server 환경의 최적해법을

지원한다.(7) 응용 : 사용자영역의멀티미디어트래픽응용서비

스를지원한다.

6. 객체지향구조

SDR의 객체 지향(Object-oriented) 소프트웨어framework 구조는 분산 객체 컴퓨팅 표준 단체인Object Management Group(OMG)에의한CommonObject Requet Broker Architecture(CORBA)의 인터페이스 정의 언어(IDL : Interface DefinitionLanguage)를 사용하여 각 요소들간의 인터페이스를기술한다. 그리고 객체를 시스템에 넣거나 virtual

circuit을 만들기 위한 객체들간의 연결과 동작의 제어및연결절단과같은 framework의행동을정의한다.그림 9는 각 요소들을 3개의 범주로 정의한 소프트

웨어구조를나타낸다.가장 상위는응용객체로서 waveform의 행동을정

의하는데waveform은바뀔수있다. 중간계층은 frame-work 요소들로 여러 하드웨어에 대해서 동일하다. 따라서 소프트웨어 waveform 응용은 플랫폼에 관계없이같은인터페이스를가진다. 가장아래계층은하드웨어또는 구현 방식에 따라 달라지는 요소들로 하드웨어의물리적구조에따라서달라지기때문에이런구조로소프트웨어가 구현되었을 때 같은 서비스를 제공하기 위해서는하드웨어가바뀌어야한다. 이경우 framework요소들의일부는변경되어야하지만응용소프트웨어쪽의인터페이스는변하지않는다.객체들간의인터페이스는형식에맞는 IDL를사용

해서기술되며 IDL 컴파일러는이것을통해객체간통

신에필요한 skeleton(다른프로세서에있는객체가호출한 메서드를 받는 기능을 수행)과 stub(원거리 객체에대한프록시)를생성한다. 이와함께다른구조에서는 API를 사용하여 모듈간에 전달되는 메시지의 정확한 내용과 포맷을 기술하는데 일반성과 유연성을 높이기 위해 IDL을 사용하여 API를 정의하면 새로운 기술의도입을용이하게만들며결과적으로전체비용을줄일수있다.Transform 객체는실시간특성을가지는응용객체

로서이들은특별히높은우선순위의연결을가져한객체의 출력은 바로 다음 객체의 입력으로 들어간다. 응용객체에있는제어객체는Object Request Broker(ORB)를 사용한다. Framework는 두 가지서비스를제공하는데, 하나는시스템의모든요소를올바른장소에두고활성화시키는 것이고 다른 하나는 시스템이 동작하는동안 ORB(상이한 프로세서 내의 객체들이 상호 작용할수있도록응용객체로부터전달되는메시지내용을추출함)를 통해서 객체간 통신을 하는 것이다. 하드웨어 부분은초기화나스케쥴링, 입출력과같은운영체제의기본기능을상위레벨에제공한다.

V. 결 론

본 논문에서는 단일 시스템 플랫폼 상에서 다양한통신방식들을(GSM2Plus, CDMA, 3GPP, 3GPP2등) 사용자의 요구 및 망 관리자에 의해 용이하게 실시간으로 동작하는 SDR에 대한 표준화 동향과 SDR 개발 현황과 전망, 그리고 SDR 구현을 위한 핵심기술들을살펴보았다. 다양한통신방식이공존할것으로예상되는 몇 년 후에는 소프트웨어적인 방식으로 간편하게프로토콜을바꿀수있는SDR 방식의기지국과단말기가 시장에서 큰 비중을 차지할 것으로 판단된다. 따라서 SDR 기술에대한종합적인연구를수행하고기술에대한 특허를 확보하여 앞으로의 통신 시장에서 경쟁력을가지는것이중요하다.

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1998. 2 : 한국과학기술원전기및전자공학과 (학사)2000. 2 : 한국과학기술원전기및전자공학과 (석사)2000. 3 ~ 현재 : 한국과학기술원전기및전자공학과 (박사과정)관심분야 : 유무선멀티미디어통신망E-mail : [email protected] : +82-42-869-8067Fax : +82-42-879-0550

황경호(Gyung Ho Hwang)

1979.2 : 서울대학교전자공학과 (학사)1981. 2 : 한국과학기술원전기및전자공학과 (석사)1985. 2 : 한국과학기술원전기및전자공학과 (박사)1985. 3 ~ 1987. 2 :한국과학기술원통신공학연구실선임연구원1987. 3 ~ 1989. 12 : 한국과학기술원통신공학연구실위촉연구원1987. 3 ~ 1998 1 : 경희대학교전자계산공학과조교수, 부교수, 교수1989. 9 ~ 1995. 7: 경희대학교전자계산소소장1998. 2 ~ 현재 : 한국과학기술원전기및전자공학과부교수주관심분야 : 유무선통신망, 유무선멀티미디어통신서비스, 유무선통신프로토콜E-mail : [email protected] : +82-42-869-3467Fax : +82-42-879-0550

조동호(Dong Ho Cho)

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Software Defined Radio 기술 - KAISTbrahms.kaist.ac.kr/down/file_0ORsGV.pdf · 2011-07-19 · Software Defined Radio(SDR) 기술은무선이동 통신시스템에서안테나이후의RF