[퍼옴] Software Defined Radio

제4세대 이동통신 시스템을 위한 SDR 기술

숭실대 이원철교수

1. 개요

- Software Defined Radio (SDR) 기술은 첨단 디지털 신호처리 기술과 시스템 소프트웨어 기술 및 고성능 DSP 소자를 기반으로 하드웨어 수정 없이 모듈화된 소프트웨어 변경만으로 단일의 송수신 시스템을 통해 다수의 무선 통신 규격을 통합·수용하기 위한 무선 접속 기반 기술이다.

- 4세대 이동통신은 이종 복합 네트워크 환경하에서 다양한 형태의 서비스, 응용 및 컨텐츠를 적절한 무선 접속 방식을 통해 선택적으로 제공받기 위한 유연한 개방형 인터페이스가 보장되는 개방형 단일 플랫폼을 요구하고 있다.

- SDR 기술은단일 하드웨어 플랫폼상에서 소프트웨어적인 재구성을 통해 특정 규격 내지 특정 목적의 통신 송수신 시스템으로 변경하여 다양한 무선 규격을 하나의 시스템으로 제공할수 있다는 점을 고려할 때 향후 4세대 이동 통신 시스템의 근간이 될 핵심 기술로 대두되고 있다. 본 논문에서는 4세대 이동통신 시스템을 위한 SDR형 단일 하드웨어 플랫폼을 구성하는 주요 기술에 대하여 논한다.

2. SDR 기술의 필요성.

1) 무선통신 운용업체 및 서비스 제공 업체에서는 사용자에게 통합 서비스를 제공

2) 단말기의 업그레이드와 새로운 서비스의 추가가 용이

3) 특별한 하드웨어 수정 없이 다중모드 전환 문제의 해결이 가능하다는 장점이 있다.

4) 사용자 측면에서는 무제한적 로밍이 가능

5) 장래 무선통신 규격 선정에 따른 단말기와 기지국의 특별한 하드웨어 업그레이드가 불필요하게 된다.

6) 시스템 제조업체는 하드웨어 플랫폼의 간소화 및 이종 규격간의 통합형 단말 플랫폼의 판매, follow-up 소프트웨어의 판매가 가능하며, 사용자에게 추가적인 기능을 매우 손쉽게 제공할 수 있다.

그림1. IP 코어 네트워크를 기반으로 한 4세대 이동 통신 환경

3. 4G & SDR 관계

- 2010년경 서비스를 목표로 연구되고 있는 4세대 이동 통신 시스템은 전세계적으로 어디에서나 고품질 음성부터 고선명 비디오까지 다양한 서비스들을 고속 무선 채널을 통하여 제공하게 된다.

- 그림 1은 4세대 이동 통신 환경에서 코어 네트워크로 IP 망을 기반으로 하여 2세대 및 3세대 셀룰라 전화뿐만 아니라 방송, 근거리 개인 무선 통신과 같은 무선 엑세스 방식들이 지속적으로 상호 접속되는 방향으로 수렴해 나가는 방향을 보여주고 있다.

- 4세대 이동통신 시스템은 고속 데이터 전송을 위한 광대역 스펙트럼을 요구하며, 마이크로웨이브, Ka 대역, 밀리미터웨이브와 같은 매우 높은 대역에서 충분한 광대역 특성을 얻을 수 있어야 한다

- 한편 광대역 무선 채널들은 인터넷 및 LAN과 같은 광대역 고정 네트워크와 연결되어야 하며, 광대역 무선 엑세스 시스템, 밀리미터웨이브 LAN, ITS (Intelligent Transport System), HAPS (High Altitude Stratospheric Platform Station System) 등과 같은 새로운 형태의 통신 시스템들을 포함한다.
- 따라서 4세대 이동 통신 시스템에서는 수십 Mbps 급 광대역 무선 이동 접속을 목표로 하고 있으며, 다양한 무선 및 유선 접속 방식, 개인 및 공용 네트워크, 그리고 실내 및 광역 시스템 등에서 이종 규격간의 지속적인 핸드오프가 요구된다.

- 이러한 복합적인 무선 통신 환경에서는 방송 및 셀룰라 계층으로부터 개인 네트워크 계층까지 각 계층 내의 수평적인 핸드오버 뿐 만 아니라 계층간의 수직적인 핸드오버도 역시 예상된다. 결국 4세대 이동 통신 시스템에서는 이러한 복합적인 무선 통신 규격 사이의 상호 연동이 필수적이며 따라서 재구성 가능한 네트워크 및 단말 (Reconfigurable Network and Terminal) 기술들에 대한 필요성이 강조되고 있다.

4세대 이동 통신 시스템에서의 이종 복합 이동 네트워크 환경에서는, 다양한 형태의 서비스, 응용 및 컨텐츠를 가장 적절한 무선 접속 방식을 통해 제공하고 복잡한 네트워크들 간의 유연한 인터페이스를 보장하는 재구성 가능한 SDR 개념 기반의 통신 플랫폼이 요구된다. 그림2는 이러한 SDR 기술을 기반으로 한 4세대 무선 통신 환경을 도시하고 있다.SDR 기술은 스펙트럼 효율을 극대화하고 이종의 무선 접속 환경에서 통신 규격의 세대간 진화에 제한 받지 않는 Scalability를 제공할 수 있다. 이를 위한 네트워크 및 단말 기술은 QoS 관리, 보안이 강화된 소프트웨어 다운로드 기법, 재구성을 용이하게 하는 단말 소프트웨어 구조, 유연한 시스템 구성 관리, 기능 협상 (Capability Negotiation) 기능 등을 기본적으로 제공해야 한다2).

그림 2. SDR 기술을 기반으로 한 4세대 무선 통신 환경

4.SDR 특징
- 대부분의 디지털 무선 통신 시스템 하드웨어는 RF, ADC 및 DAC 그리고 디지털 신호 처리부로 구성된다.

- SDR 기술 진화 과정상의 가장 큰 특징은 ADC/DAC의 위치가 기저대역으로부터 IF 혹은 RF 안테나까지 근접시키므로써, 시스템의 표본화 처리 대역을 RF까지 증가시킨다는 점이다.

- SDR은 전통적인 디지털 회로와 저속 DSP 및 CPU 들을 사용하는 기존의 소프트웨어적인 제어의 디지털 라디오 (Software-Controlled Digital Radio)의 개념이 아니라, 고속 DSP 및 CPU들을 사용하여 프로그램 가능한 IF 혹은 RF, 채널 엑세스 모드, 채널 변조 등이 가능한 Total Programmable 디지털 라디오 개념으로 이해되어야 한다.

그림3. SDR 기반의 무선 송수신 시스템의 구성

- SDR Forum에서 제시한 SDR 구조는 개방형 인터페이스 표준 권고안을 통하여 연결된 특정 기능 블록들과 상위 레벨의 일반적인 모형을 기반으로 한다.

- 소프트웨어는 Application의 유연한 확장과 Scalability를 지원하는 수직적이며 수평적인 계층간 모듈들을 통해서 장치/디바이스 보조 시스템들의 특성을 제어함으로써 구현된다.

- 다중 모드, 다중 대역 무선 인터페이스, 운용 환경 및 사용자 요구에 따른 자동적인 무선 접속 규격, 그리고 기능 및 서비스의 변화를 지원할 수 있는 유연성 (Flexibility)과,

- 시변 채널 상황에 적응적으로 변화 가능한 무선 인터페이스 및 채널 상황에 따른 적응적인 변복조 방식의 선택을 지원하는 적응성 (Adaptability)을 들 수 있다.

- 서로 다른 물리 계층 규격의 여러 무선 전송 시스템은 대부분 상이한 기저대역 신호 처리 방식을 적용하고 있어, 이들을 통합 처리하기 위해서는 기저대역에서의 SDR 기법에 기반한 디지털 신호처리 기술의 적용이 필수적이라 할 수 있다.

5.SDR 특징

1) RF Front-end 및 Digital IF 기술
- 다양한 이동 통신 시스템 규격들 및 이에 대해 사업자들에게 할당되는 주피수 대역들이 서로 다른 점을 고려할 때, 이종 시스템 혹은 사업자들에게 할당된 주파수 대역에 구애받지 않고 언제 어디서나 자유롭게 무선 채널을 엑세스하고 또한 특정 채널을 임의로 선택하기 위한 디지털 RF/IF 및 채널화기의 실현이 필수적이다.
- 기지국 시스템 관점에서 볼 때 특정 이동 통신 규격의 물리 계층만을 지원하는 무선 인터페이스가 아닌다중 이동 통신 모드를 지원할 수 있는 유연성이 가미된 디지털 RF/IF 및 채널화기/역채널화기가 필요하게 된다.

- 이를 위해서는 기지국상 혹은 단말기상의 무선 인터페이스 처리 부분, 즉 주파수 상·하향 변환 및 채널 선택·조합을 용도에 맞게 별도의 하드웨어 수정 없이 소프트웨어적으로 변환하기 위한 SDR 기술이 필연적으로 요구된다.

2) 기저대역 디지털 신호처리 기술

- 서로 다른 물리 계층 규격의 여러 무선 전송 시스템은 대부분 상이한 기저대역 신호 처리 방식을 적용하고 있어, 이들을 통합 처리하기 위해서는 기저대역에서의 SDR 기법에 기반한 디지털 신호처리 기술의 적용이 필수적이라 할 수 있다.

3) 소프트웨어 다운로드 (Software Download)
- SDR 기술을 적용한 통신 시스템은 대부분의 중요한 기능들이 소프트웨어로 구현되어 다양한 통신 방식이나 부가 서비스를 제공한다. 따라서 SDR 기술을 적용한 단말이나 기지국 장비의 기능을 변화하기 위해 새로운 프로그램들을 적용하는 소프트웨어 다운로드 기능은 SDR의 성공적인 전개를 위해 매우 필요하다. 이러한소프트웨어 다운로드를 통해 새로운 사용자 Application 및 프로토콜 스택 뿐 아니라 물리 계층의 모뎀 기능 등의 다운로드가 가능하다.

소프트웨어 다운로드를 위해 사용자의 이동 단말과 기지국은 약간 다른 접근 방법을 취하게 된다. 일반적으로 기지국에서는 새로운 소프트웨어 버전으로 업그레이드해야 하는 경우에만 소프트웨어 다운로드가 수행되며 이는 소프트웨어를 관리하는 서버로부터 유선 네트워크를 통해 용이하게 이루어 질 수 있다.

반면에 사용자의 단말에서는 이동 및 사용자 요구의 변화 (예를 들어 새로운 Application Transaction의 요구, 무선 접속 변화 등)에 의해잦은 소프트웨어의 변경이 필요하며, 이 경우 소프트웨어 다운로드는 스마트 카드 (SIM 카드), 유선 네트워크 및 무선 (Over-The-Air; OTA) 등의 방법을 통해 수행될 수 있다.

6. 4세대 SDR을 위한 적용 가능 기술

- 4세대 이동 통신 시스템을 위해서는 멀티미디어 통신, 광대역 고정 네트워크로의 무선 엑세스 등과 같은 이종 시스템간의 지속적인 로밍이 해결되어야 한다.

- 이종 규격간의 연속적인 고속 데이터 서비스를 위해 미래형 SDR 기술의 적용이 필요하며, 여기에는 먼저 SDR 하드웨어 플랫폼 구성 및 소프트웨어 자원의 운용 방안이 새롭게 구현되어야 한다.

1. 새로운 DSP 하드웨어 구성 기술

- 4세대 이동 통신 시스템에서는 기저대역 신호 자체가 최대 수십 Mbps 급의 매우 빠른 비트 전송률을 지원

- IF 대역 역시수십 MHz 이상이므로 결국 이들 신호의 디지털 처리를 위한 소자의 동작 속도는 매우 빨라야 한다. 이러한 동작 속도의 제한 때문에 SDR에서 고속 디지털 신호 처리는 대부분 ASIC이나 FPGA를 이용

- SDR에서 요구하는 유연한 재구성 특성을 만족하기 위해서는 역시 범용 DSP를 사용하는 것이 가장 적합하다. 결국 현재 DSP 기술의 발전을 감안하더라도 더욱 빠른 동작 속도를 요구하게 되는 4세대 시스템에서는 단일 DSP를 이용한 SDR 송수신기의 구성은 현실적으로 어렵다고 볼 수 있다.

- 이러한 문제점에 대한 해결 방법으로서, 기지국 상에서 다중 DSP를 동시에 사용하는 SDR 기술을 고려할 수 있다. 이를 위하여 SDR 수신기에서 필요한 신호 처리 기능을 분리하여 이들을 여러 Branch로 구성된 트리 구조로 배열한 후 각각의 Branch에서 요구되는 기능을 별도로 처리하는MDTS (Multi-DSP Tree Structure) 구조가 제시되어 왔다.

2. 가상 라디오 (Virtual Radio) 기술

다중 DSP 구조와 유사한 형태로 단일 혹은 다중 CPU를 내장한 범용 워크스테이션 컴퓨터를 SDR 기능의 구현을 위해 이용하는 방안이 최근 들어 제안되었으며, 이러한 접근 방법을가상 라디오 (Virtual Radio)라 한다.

7. 결 론

4세대 이동 통신 시스템에서는 다양한 규격의 무선 네트워크들 간의 유연한 인터페이스를 보장하기 위해 재구성 가능한 SDR 플랫폼이 절실히 요구되며, 결국 미래의 무선 통신 분야에서의 경쟁력 확보를 위해 SDR에 대한 연구 및 개발에 더욱 박차를 가해야 할 것으로 판단된다.