[논문]Ethernet을 이용한 저가형 WiMAX RRH 기지국 구현

서성삼; 이현석

Ethernet을 이용한 저가형 WiMAX RRH 기지국 구현
Implementation of Low Cost WiMAX Remote Radio Head with Ethernet 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. SD, 반도체, v.49 no.1 = no.415, 2012년, pp.35 - 42

서성삼 (광운대학교 전자통신공학과) , 이현석 (광운대학교 전자통신공학과)

초록
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본 논문은 광선로 대신 Ethernet을 이용하여 저가형 WiMAX remote radio head (RRH)를 구현한 내용을 담고 있다. 간략화된 프레임 형식을 적용하여 최대 전송률이 상대적으로 낮은 Ethernet 선로의 사용 효율을 극대화하면서 기지국과 RRH들 사이에 데이터 전송이 이루어지도록 하였다. 또한 원격지에 설치되는 기지국과 RRH들이 동시에 무선데이터 송수신할 수 있도록 장치 간 동기화기법을 적용하였다. 설계된 내용은 FPGA 상에 구현되었으며 WiMAX Femtocell과 연동하여 정상적으로 무선데이터를 송수신함을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is about the implementation of low cost WiMAX remote radio head system with Ethernet instead of optical link. We deployed a simplified frame structure on the data frames transmitted between a basestation and remote radio heads in order to maximize Ethernet link utilization which shows relatively lower maximum throughput compared to that of optical links. In addition, a synchronization mechanism was applied on a basestation and remote radio heads placed on remote sites in order for simultaneous data transmission and reception in all remote radio heads which are essential for proper communication with terminals. These schemes are implemented with FPGA. The results of experiment with a WiMAX Femtocell show that our remote radio head systems efficiently deliver radio frames with proper timing.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 Gigabit Ethernet을 이용해 저가형 RRH 시스템을 구현한 결과를 보였다. 기지국과 RRH 간의 데이터 전송이 저가의 Gigabit Ethernet 선로를 통해 수행되도록 하기 위해 간략화한 프로토콜을 설계하고, 이를 FPGA에 구현하였다.
본 논문에서는 RRH와 기지국의 연결에 저가의 Gigabit Ethernet 선로를 사용하고 기기들 사이의 연동에 OBSAI/CPRI 대신 간략화 된 프로토콜을 적용하여 저가의 WiMAX RRH 시스템을 구현한 예를 다룬다. 개발된 시스템은 기지국과 RRH 사이의 연동 프로토콜이 표준에 근거한 것이 아니므로 상용 RRH IC를 사용할 수 없어 고속 데이터 처리에 필요한 기능을 FPGA 를 이용하여 구현하였다.

제안 방법

RRH 시스템에서 I/Q 데이터의 전송을 위한 프레임 구조는 기존의 Ethernet 프레임이 가지는 DA (Destination Address), SA (Source Address) 와 같은 주소 필드들을 대신하여 SOP (Sort of Packet) 필드를 사용하였다. 이는 I/Q 데이터가 하향의 경우 MU에서 모든 RU로 방송하는 형태로 전달되고 반대의 경우 모든 RU에서 MU로 전송하는 형태여서 데이터의 종류와 방향만을 나타내는 SOP 필드만으로도 데이터의 목적지를 구분할 수 있기 때문이다.
본 논문에서는 RRH와 기지국의 연결에 저가의 Gigabit Ethernet 선로를 사용하고 기기들 사이의 연동에 OBSAI/CPRI 대신 간략화 된 프로토콜을 적용하여 저가의 WiMAX RRH 시스템을 구현한 예를 다룬다. 개발된 시스템은 기지국과 RRH 사이의 연동 프로토콜이 표준에 근거한 것이 아니므로 상용 RRH IC를 사용할 수 없어 고속 데이터 처리에 필요한 기능을 FPGA 를 이용하여 구현하였다.
RRH 시스템 구현에 필요한 하드웨어 기능은 Veliog-HDL를 이용하여 기술되었으며 Modelsim을 이용하여 검증하였다. 검증된 Verilog 프로그램은 Xilinx ISE를 이용해 합성 후 Xilinx의 보급형 FPGA모델 Spartan-3E에서 테스트 하였다.
본 논문에서는 Gigabit Ethernet을 이용해 저가형 RRH 시스템을 구현한 결과를 보였다. 기지국과 RRH 간의 데이터 전송이 저가의 Gigabit Ethernet 선로를 통해 수행되도록 하기 위해 간략화한 프로토콜을 설계하고, 이를 FPGA에 구현하였다. 구현 내용은 상용 WiMAX 시스템과 적용되어 핵심적인 동작인 데이터 패킷화 과정과 장치간 동기화 과정이 정상적으로 수행 됨을 보였다.
기존에 사용되는 CPRI 표준에서는 I/Q데이터, C&M (Control & Messaging), 동기화(Synchronization) 신호를 Gigabit Ethernet에서 사용하는 프레임에 담아 그대로 전송하는데^[2], 이 경우 Header와 Tailer길이가 상당한 양을 차지하기 때문에 전송속도에 많은 부하를 주게 된다. 따라서 기존의 Ethernt 프레임 구조에서 MU와 RU 사이의 데이터 전송에 사용할 때 발생하는 부하 문제를 해결하기 위해 Header와 Tailer 길이를 줄인 새로운 형태의 프레임 구조를 사용하였다.
3에서 Ethernet MAC 부계층 프레임은 64Byte～1518Byte 로 최소/최대 길이가 제한되어 있다. 또한 데이터를 송수신 할 때, IFG (Interframe Gap) 혹은 IPG (Interpacket Gap)을 정의하여 각 프레임 혹은 패킷 사이에 필요한 최소 대기시간을 정의하였다. 이를 통해 수신장치가 다음 프레임 수신을 준비할 수 있는 시간을 가지게 된다.
43us임을 측정한 결과이다. 이 값을 바탕으로 MU는 RU에 실제 절체시간보다 이전에 RU 절체 신호를 전달하여 MU와 RU가 동시에 전송방향 절체를 수행하도록 하였다.
주기적으로 생성되는 WiMAX 디지털 I/Q 데이터를 Gigabit Ethernet 인터페이스를 통해 전송하기 위해서는 적절한 변환 과정이 필요하다. 이를 위해 FPGA에서 연속적으로 만들어지는 IQ 데이터를 패킷 형태로 변환하여 송신하는 기능과 수신된 패킷을 원래의 IQ 데이터로 복원하는 과정을 수행한다. 기존에 사용되는 CPRI 표준에서는 I/Q데이터, C&M (Control & Messaging), 동기화(Synchronization) 신호를 Gigabit Ethernet에서 사용하는 프레임에 담아 그대로 전송하는데^[2], 이 경우 Header와 Tailer길이가 상당한 양을 차지하기 때문에 전송속도에 많은 부하를 주게 된다.
OBASI와 CPRI는 용어만 서로 다를 뿐 기지국과 RF단을 원격으로 구성하는 것은 동일하다^[1～2]. 이번 연구에서는 저가형 RRH 시스템 구현을 위해서 간략화된 프로토콜을 내부적으로 정의하여 사용하였다.
Ethernet 선로에서 전송되는 IQ 데이터 프레임과의 구별을 위해 FPGA에서 부가적인 프레이밍 작업을 수행한다. 이와 같은 작업은 CPU에서 처리도 가능하지만 사용되는 CPU들이 성능이 낮은 저가형 제품이기 때문에 FPGA에서 처리하도록 하였다.

대상 데이터

개발에 사용된 BBIC는 JESD207^[5]규격을 따라 RFIC와 데이터를 주고받는다. JESD207 규격은 BBIC 와 RFIC를 연결하는 표준규격으로 그림 5와 같은 구조를 가진다.

데이터처리

RRH 시스템 구현에 필요한 하드웨어 기능은 Veliog-HDL를 이용하여 기술되었으며 Modelsim을 이용하여 검증하였다. 검증된 Verilog 프로그램은 Xilinx ISE를 이용해 합성 후 Xilinx의 보급형 FPGA모델 Spartan-3E에서 테스트 하였다.

이론/모형

FPGA 사의 검증에는 실시간 FPGA 동작 검증 도구인 Xilinx Chipscope를 사용하였다. 그림 11은 MU에서 수행되는 패킷화 과정을 보여준다.
GMii가 8bit의 SDR (Single Data Rate) 방식인 반면 RGMii는 Clock의 Positive Edge와 Negative Edge를 이용해 4bit씩 전달하는 DDR (Double Data Rate) 방식을 이용하기 때문에 칩의 핀 개수가 제한적일 때 많이 사용한다.^[2] RRH는 다수의 Gigabit Ethernet 포트를 사용하며, 사용된 저가형 FPGA의 핀 개수가 제한적이기 때문에 RGMii방식을 선택하였다.

성능/효과

그 결과 MU는 130MHz, RU는 157MHZ의 최대 동작 주파수를 보였다. MU와 Gigabit Ethernet을 거쳐 RU 정상적으로 전달됨을 확인하였다. 또한 RU가 RF를 통해 수신한 데이터도 MU에 정상적으로 전달하였다.
기지국과 RRH 간의 데이터 전송이 저가의 Gigabit Ethernet 선로를 통해 수행되도록 하기 위해 간략화한 프로토콜을 설계하고, 이를 FPGA에 구현하였다. 구현 내용은 상용 WiMAX 시스템과 적용되어 핵심적인 동작인 데이터 패킷화 과정과 장치간 동기화 과정이 정상적으로 수행 됨을 보였다. 본 논문에서 제안한 방법을 이용할 경우 기존 광통신 기반의 CPRI나 OBSAI의 규격을 적용하는 것보다 경제적인 RRH 시스템의 구현이 가능하다.
그 결과 MU는 130MHz, RU는 157MHZ의 최대 동작 주파수를 보였다. MU와 Gigabit Ethernet을 거쳐 RU 정상적으로 전달됨을 확인하였다.
구현 내용은 상용 WiMAX 시스템과 적용되어 핵심적인 동작인 데이터 패킷화 과정과 장치간 동기화 과정이 정상적으로 수행 됨을 보였다. 본 논문에서 제안한 방법을 이용할 경우 기존 광통신 기반의 CPRI나 OBSAI의 규격을 적용하는 것보다 경제적인 RRH 시스템의 구현이 가능하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	WiMAX 시스템에서 TDD 구조가 주로 사용되는 이유는 무엇인가?	16e에 정의된 WiMAX의 물리계층은 TDD (Time Division Duplex)와 FDD (Frequency Division Duplex) 형태를 모두 지원한다. TDD 구조는 하향구간 (Downlink)과 상향구간 (Uplink)의 전송량에 따라 두 구간의 비율을 조절할 수 있기 때문에 상용 제품에서는 주로 TDD 구조가 주로 사용된다.[3] 이번 연구에서는 TDD방식의 WiMAX 시스템을 그 구현 대상으로 하고 있다.
	기지국은 어떻게 구성되어 있는가?	RRU 들은 서로 Master/Slave 형태로 직렬연결 될수 있다. 기지국은 기저대역 신호처리를 담당하는 BB(Baseband station)과 RRU와 데이터를 송수신하기 위한 LC(Logic Converter), 클럭 신호와 제어 신호를 생성하는 CCM(Clock and Control Module)로 구성되어 있다[1]. OBASI와 CPRI는 용어만 서로 다를 뿐 기지국과 RF단을 원격으로 구성하는 것은 동일하다[1～2].
	RRH와 기지국 사이의 통신에 광섬유를 사용할 때 어떠한 장/단점이 존재하는가?	이를 위한 방법 중 하나는 OBSAI(Open Base Station Architecture Initiative) 혹은 CPRI(Common Public Radio Interface)와 같은 기지국 기저대역과 안테나 사이의 연결을 정의한 표준 인터페이스를 이용해 기지국과 RRH를 광선로 (Optical Fiber)로 연결하는 것이다.[1～2] RRH와 기지국 사이의 통신에 광섬유를 사용 하게 되면 안정적이고 빠른 전송이 가능하지만 초기설치와 유지관리에 많은 비용이 소요된다. 또한 기존의 OBSAI, CPRI 표준들은 GSM, IS-95와 같은 2G 시스템부터 LTE/WiMAX와 같은 4G 시스템까지 모두 지원하도록 되어있어 그 구조가 복잡하고 관련 부품 또한 고가이다.

참고문헌 (5)

OBASAI, "Reference Point 3 Specification V4.2" OBSAI, 2010.
CPRI, "CPRI Specification V4.2", CPRI, 2010.
WiMAX Forum, "WiMAX ForumTM Mobile System Profile Release 1.0 Approved Specification", WiMAX Forum, 2007.
IEEE Computer Society, "Carrier Sense Miltiple Access with Collision Detection(CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specification. Seoction 1", IEEE, 2008.
JEDEC, "JEDEC STANDARD, Radio Front End-Baseband Digital Parallel(RBDP) Interface (JESD207)", JEDEC SOLID STATE TECHNOLOGY ASSOCIATION, 2007.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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