LTE-A는 LTE 표준의 진화된 기술로서 향상된 기능을 갖추고 있지만, 이로 인해 심각한 설계 도전 과제가 제기되었다. 현재 다양한 성능을 갖춘 차세대 EDA 도구가 이러한 딜레마에 대한 해결책을 제공하고 있다. 새로운 LTE-A 표준에 적합한 우수한 시스템 설계를 작성하고자 하는 엔지니어는 반드시 적절한 성능을 갖춘 EDA 도구를 선택해야 한다. 

글 | * 다렌 맥클리어넌(Daren McClearnon),
  EEsof EDA 사업부 제품 마케팅 매니저

     ** 우 환(Wu Huan), 시스템 엔지니어
  애질런트 테크놀로지스(Agilent Technologies)


LTE-Advanced (LTE-A)는 최신 토폴로지 네트워크의 활용 능력을 포함해 다양한 주요 장점을 자랑하는 새로운 이동통신 표준이다. 3GPP Release 10의 일부로 규정되었으며, 현재 4G IMT-Advanced용으로 승인이 됐다. LTE-A는 주로 LTE 파라미터 위에 구축되며, 심지어 일부 기본 구조를 유지하기도 한다. 그러나 LTE-A는 LTE Release 8/9에 대한 개선사항으로 구성된 새로운 기능은 물론, LTE Release 10 이상에서 포착되는 최근 신기술까지 포함하고 있다(그림 1). 대부분의 신규 기술과 마찬가지로 LTE-A에도 설계 도전과제가 많은데, 특히 물리층(PHY) 아키텍처 개발 분야에서 그렇다. 이러한 도전과제의 처리는 LTE-A 설계의 성공적인 개발과 전개에 있어서 매우 중요하다.



LTE -A 개선사항
LTE-A 설계와 관련된 도전과제를 깊이 이해하기 위해서는 근본 원인을 보다 명확하게 이해해야 한다. 이 경우는 LTE-A 개선사항 자체가 가져온 복잡성 증가로, 원인이 매우 명확하다. LTE Release 8/9와 비교해 LTE-A에는 반송파 집적(Carrier Aggregation, CA), 개선된 다중 접속 방식 및 개선된 MIMO 전송이라는 세 가지 주요 개선사항이 있다.
CA는 LTE-A에서 최대 100 MHz의 스펙트럼 할당 지정 시 사용하는 메커니즘이다. 연속 및 불연속 구성요소 반송파의 집적 기술을 이용하면 더욱 폭넓은 대역폭을 제공할 수 있다(그림 2). LTE-A는 또한 클러스터된 SC-FDMA로 알려진 업링크(UL)에 개선된 다중 접속 방식을 채택한다. 개선된 방식에는 LTE의 SC-FDMA와 유사하게, 불연속(클러스터된) 부반송파 그룹을 하나의 사용자 장비를 사용해서 전송용으로 할당할 수 있는 이점이 있다. 이를 통해 UL 주파수 선택 일정 관리 및 더 우수한 링크 수행이 가능하다.
더욱 폭넓은 대역폭 이외에도 LTE-A는 더 높은 데이터 속도와 개선된 시스템 성능을 제공할 것으로 기대된다. 이러한 목표를 달성하기 위해서는 다중 안테나 전송을 위한 LTE의 지원 확대가 필요하다. LTE-A 다운링크(DL)의 경우, 8×8 안테나 구성을 사용해 최대 8중으로 전송할 수 있다. 이것은 최고 스펙트럼 효과가 요구사항 30 bps/Hz를 초과할 수 있으며, 데이터 속도가 40 MHz 대역폭에서 1 Gbps를 초과하고 더 넓은 대역폭에서는 더 높은 데이터 속도까지 가능함을 의미한다. 또한 LTE-A는 UL에 최대 4중의 공간 다중화를 포함하여 최고 UL 스펙트럼 효율이 15 bps/Hz를 초과할 수 있도록 한다.



앞으로의 도전과제
반송파 집적 기술, 개선된 다중 접속 방식 및 개선된 MIMO 전송과 같은 개선사항이 다양한 이점을 제공하는 반면, 주요 베이스밴드 및 RF 설계에 있어서 다양한 도전과제를 제기한다. 구체적으로 다음과 같은 도전과제를 꼽을 수 있다.
실용적인 알고리즘 참조(Working Algorithmic Reference). 알고리즘 참조(또는 지적자산(IP) 참조)는 일부 참조 수준을 액세스해야 하는 설계 프로세스에 참여하는 사실상 모두에게 모델 기반 설계를 위한 필수 구성요소다. 유감스럽게도, 설계 흐름 전반에서 서로 다른 엔지니어 팀이 사용할 수 있는 사용 가능한 알고리즘 참조를 찾는 것은 말처럼 그리 간단하지 않다. 시스템 아키텍처에서 알고리즘으로, RTL로 그리고 최종적으로는 하드웨어로 설계가 진행되면서 다양한 질문에 답해야 한다. 즉, 작성, 사용 또는 폐기해야 하는 IP 참조 수, 유연성, 호환성 및 업데이트 가능 여부, 출처의 신뢰성 여부, 기존 테스트 및 스크립팅 사용 가능 여부 그리고 마찬가지로 중요하게, 베이스밴드 및 RF 팀이 같은 IP 참조를 통해 작업하는지 여부에 대한 질문이 있다.



유연한 조기 검증(Flexible Early Verification) 및 프로젝트 비순환 비용(Non-Recurring Expenses, NRE). LTE-A는 진화하고 있는 표준이며, 따라서 검증이 매우 어렵다. 우선, 계속 진화하는 표준을 어떻게 정확히 검증하는가? 표준-준수 테스트 벤치(예: TS 36.101-104 등) 구성은 더욱 복잡한 문제로, 스크립팅과 참조 IP가 필요하며, NRE 프로젝트 비용이 발생한다. 더 나아가 테스트(예: 처리량 테스트)와 관련된 대부분의 검증에는 피드백 루프가 닫혀 있는 완전한 운영 시스템이 필요하다.
RF를 강조하는 반송파 집적 기술(Carrier Aggregation Stressing RF). CA로 인해 활성화된 증가 대역폭에는 최대 전력 대 평균전력의 비(PAPR)를 극심한 수준으로 만드는 부정적인 효과가 있다. 이러한 증가를 상쇄하기 위해 파고율 감소(CFR) 전략이 필요하다. 증가 RF 대역폭은 또한 주파수 의존적이며 기타 아날로그 저하를 나타내는데, 이는 다중 구성요소 반송파에 걸쳐 나타난다. 또한 기타 요인(예: 불연속 CA, 다수의 가능한 RF 대역 및 MIMO 레이어 수)의 조합으로 RF 설계에 있어서 도전과제가 더욱 늘어난다.



MIMO 및 채널 고려사항. MIMO의 다양성은 LTE-A 검증을 어렵게 하는 또 하나의 문제점이다. 8×4 및 8×8 MIMO는 복잡성과 비용 추가를 정당화하는 실제 성과를 제공하는가?
결과적으로 늘어난 검증 노력. 검증 작업을 증가시키는 요인은 LTE-A, LTE, 3G, WLAN, MIMO와 같은 베이스밴드 PHY 운영 모드, RF 스펙트럼 할당/대역과 아날로그 제어 설정, 신규 반도체 공정, 배터리 및 환경 조건 등을 포함하여 다양하다. 검증을 초래하는 또 다른 핵심 요소는 도메인 간 스크립팅, 회귀, IP 교환 및 테스트 벤치에 대한 필요성이다. 공교롭게도 RF 모델은 빠른 속도를 위해 베이스밴드가 단순해야 한다. 실제로 베이스밴드 알고리즘은 일반적으로 주파수 응답, 메모리 효과, 노이즈 또는 동적 현상이 없는 CW RF용 동적 모드로 “단순화”된다.
이러한 베이스밴드 및 RF 설계 도전과제로 인해 4G PHY 아키텍처 개발은 더욱 복잡해진다. 다행히도 현재는 해당 도전과제를 처리하는 데 필요한 성능을 갖춘 도구를 사용할 수 있다(그림 3). 이러한 성능에는 단일 벤더의 세계적인 애플리케이션 및 지원과 함께, 설계 프로세스 전반에 유용한 도구 등급 표준 IP 참조, 베이스밴드 및 RF 도메인 모두에 걸친 모듈식 톱다운 전자 시스템 레벨(ESL) 설계 접근법, 고성능 측정 및 모델링 기법 그리고 개방형 소프트웨어/하드웨어 플랫폼이 포함돼 있다. ES