아날로그 통합 신개념 RFSoC
5G 상용화 위한 전력, 풋프린트 대폭 개선

  • 2017-03-03
  • 김영학 기자, yhk@elec4.co.kr



자일링스는 지난 2월 15일 기자간담회를 갖고 5G를 위한 16 nm 올 프로그래머블 MPSoC에 RF급 아날로그 기술(RFSoC)을 융합해 획기적인 통합 및 아키텍처 혁신을 제공한다고 발표했다.

자일링스는 매시브 MIMO(massive MIMO) 시스템 상용화를 위해 RF급 아날로그 기술을 적용한 올 프로그래머블 RFSoC를 통해 SoC에 ADC 및 DAC를 통합시키는 데 성공했다고 밝혔다. 이날 자일링스는 RFSoC를 통해 5G 매시브 MIMO 및 밀리미터파 무선 백홀 애플리케이션에서 50~75%의 전력 및 풋프린트를 줄일 수 있음을 강조했다.

자일링스에서 FPGA 플랫폼 마케팅을 담당하고 있는 팀 엘야백(Tim Erjavec) 부사장은 “업계는 5G의 도입에 있어 스펙트럼 효율성, 고밀도 배치, 에너지 효율 문제에 직면해 있는데, 이는 5G가 더 많은 대역폭과 커넥티비티를 요구하고 있기 때문”이라며 “특히 리모트 라디오 유닛(Remote Radio Unit), 무선 백홀(Wireless Backhaule), 베이스밴드(Baseband) 등은 위 세 가지 문제를 겪고 있는 대표적인 분야”라고 분석했다.

기존의 4G RAN(Radio Access Networks)는 보통 손실이 큰 동축 케이블을 통해 원격 전파 헤드에 유선으로 연결하는 방식이었다. 이 원격 전파 아키텍처는 3G에서 진화된 것이지만, 여전히 안테나에서 원격 전파 헤드까지의 전력 소실이 크고 시스템 부피로 인한 배치에 문제가 있었다.

4G RAN에서는 액티브 안테나 어레이를 활용한 디지털 및 아날로그 전파 장치를 안테나에 더 가깝게 이동시켜 공간을 절약하고 케이블 손실 및 관련 전력 손실을 피해 예산을 개선했다. 액티브 안테나 어레이는 4G에서 성공적이었지만, 5G 요건 중 일부 연결 디바이스 수와 사용자 데이터 속도 증가 문제는 해결하지 못했다.

5G를 위한 매시브 MIMO 및 빔포밍 기술은 2D 어레이에서 32개, 256개, 최대 1,024개의 개별 안테나를 통합하는, 즉 하나의 타일에 여러 개의 안테나를 설치하는 형태를 띠게 된다. 이를 위해서는 풋프린트의 크기와 전력소모 문제를 해결하는 것이 관건이다. 만약 풋프린트와 전력소모 문제를 해결하면, 5G를 위한 안테나는 유연한 배치가 가능해져 건물 벽, 옥외광고판, 간판 등 다양한 형태의 사물에 부착이 가능한 형태로 전개가 가능하다.

이러한 매시브 MIMO 어레이를 지원하기 위해 자일링스가 개발한 것이 바로 올 프로그래머블 RFSoC다. 이 디바이스는 디지털 처리 서브시스템, 강력한 ARM급 처리 시스템, FPGA 패브릭과 같은 통신 등급 RF 샘플링 데이터 컨버터를 모두 하나의 모놀리식 디바이스에 결합한 것이다. 특히 아날로그 디지털 신호 체인은 아날로그 설계자가 유연하게 구성할 수 있도록 강화된 DSP 서브시스템에 의해 지원된다.



디스크리트 부품 디지털화

자일링스 통신사업 부문의 하핀더 마따루(Harpinder S Matharu) 이사는 “올 프로그래머블 RFSoC는 기존 올 프로그래머블 SoC에 ADC와 DAC를 통합해 전파 및 무선 백홀 장치가 이전에 불가능했던 전력 및 폼팩터 요건을 충족시켜 채널 밀도를 높일 수 있게 됐다”며 “디스크리트 부품이 디지털화됨에 따라 복잡성이 혁신적으로 개선돼 제조사는 설계 및 개발주기를 간소화할 수 있으며, 전 세계 시장에서 다양한 라디오 주파수에 대응하기 위해 엔지니어가 설계를 고민할 필요도 없앴다”고 강조했다.

예를 들어 8×8 라디오의 시스템 풋프린트에는 2개의 SoC와 각 8개의 DAC/ADC가 장착되는데, 이 모든 것을 하나의 RFSoC로 통합할 수 있어 77%의 풋프린트 절감효과를 거둘 수 있다. 또한 8×8 100 MHz 라디오의 경우, 프로그래머블 디바이스(23 W), RF ADC/DAC 부품(32 W)에 소모되는 55 W의 전력을 RF 아날로그 기술을 활용하면 27 W의 전력만 소비하므로 51%의 전력을 절감할 수 있다.

하핀더 이사는 “기존의 전파 시스템은 ADC와 DAC가 직렬 트랜시버에 의해 프로그래머블 디바이스와 연결되는데, 이 과정에서 전력소모와 연결 상의 지연문제가 발생하게 된다”며 “이를 하나의 SoC로 만들면 기존에 발생한 문제를 대폭 개선할 수 있다”고 말했다.

전통적인 IF 샘플링 기반의 컨버터 서브시스템은 믹서, 고품질 오실레이터, 증폭기 등의 아날로그 부품으로 이뤄져 있는데, 유연성이 떨어져 특화된 설계와 복잡한 부품 선정이 요구된다. 이 문제를 해결하기 위해 등장한 것이 RF 샘플링 방식이다. RF 샘플링 방식에서는 입력되는 RF 신호가 초기 다운변환(Down-Conversion) 없이 직접 샘플링된다.

이 신호가 디지털화되면 다운변환과 신호처리는 디지털 신호 처리를 이용해 좀 더 유연하고 프로그래밍이 가능한 디지털 도메인에서 이뤄진다. 따라서 RF DAC가 지원하는 샘플 속도가 높을수록 디지털 도메인에서의 우수한 필터링 기술로 다이내믹 레인지, 신호품질(SNR), 신호 대역폭 간의 균형이 개선된다. 그럼에도 여전히 DSP 기반 믹싱 & 필터링 부품과 ADC 부품을 사용해야 해서 전력소모와 풋프린트 크기에 대한 대폭적인 개선을 기대하기가 어려웠다. 하지만 RFSoC에서는 디스크리트 부품에 대한 필요성을 없애 기존의 문제점을 해결했다.

자일링스는 RFSoC를 개발할 수 있었던 배경에 대해 “수년 동안 무선 분야에서 라디오 관련 기술을 개발하고 꾸준히 제품을 출시하면서 고객과 협력하는 시스템을 추구해왔기 때문”이라고 밝혔다.

팀 엘야백 부사장은 “2012년 RFSoC 기술을 28 nm 테스트 칩을 개발해 테스트했으며, 이는 Virtex-7 FPGA와 ADC/DAC를 통합하는 형태로 구현했다. 이 테스트 결과는 2014년 IEEE 보고서에 발표했으며 2016년에는 16 nm 핀펫(FinFET) 테스트 칩 형태로 구현했다”고 말했다. 그는 실제 제품을 올 하반기에 발표하게 될 것이라고 밝혔다.

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