LTE-A는 LTE 표준의 진화된 기술로 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 적절한 성능을 갖춘 EDA 도구를 선택해야만 한다.



LTE-A(LTE-Advanced)는 3GPP에서 개발 중인 새로운 이동 통신 표준이다. 3GPP 규격 릴리스 10의 일부로 지정되었으나, 현재는 4G IMT-Advanced용으로 승인되었다. LTE-A는 기존의 LTE 릴리스 8/9의 특징을 다양하게 활용하면서도 반송파 집적, 개선된 다중 접속 방식 및 MIMO 전송, 멀티홉(multi-hop) 전송, 간섭제어기술(Coordinated Multi-Point, CoMP) 송/수신, 이기종(heterogeneous) 네트워크 지원 등, 많은 개선사항을 포함하고 있다. 이러한 개선사항에는 상당한 이점이 있지만, 베이스밴드와 RF 설계 문제를 야기함으로써 4G 물리층(PHY) 아키텍처 개발이 더 복잡해지기도 한다. [편집자 주 = 해당 개선사항에 대한 자세한 내용은 본지 1월호(56p~58p)에 실린 기사 ‘4G PHY 아키텍처 설계 도전과제의 정의’에서 다루고 있다.]

새로운 기능을 다양하게 갖춘 차세대 EDA 툴은 이러한 딜레마를 해결할 수 있는 해결책을 제시한다. 그 비결은 새로운 기능의 개념과, 이러한 기능을 이용해서 4G 과제를 해결하는 방법을 이해하는 것이다.
현재 LTE 기반 설계에 사용할 수 있는 다양한 EDA 툴이 시판되고 있다. 그러나 새로운 LTE-A 표준에 맞는 최상의 시스템을 설계하려면 완전히 새로운 기능이 필요하다. 일부 주요 기능에는 다음과 같은 사항이 필요하다.
- 설계 프로세스 전반에서 사용할 수 있으며, RF 및 시스템 레벨 성능을 모두 실제로 연결하는 알고리즘 모델링이 가능한 기기 등급 표준 지적자산(IP) 기준
- 베이스밴드와 RF 도메인 모두에 걸친 모듈형 하향식 전자 시스템 레벨(ESL) 설계 방식 
- 고성능 측정 및 모델링 기법
- 단일 벤더의 세계적 애플리케이션들과 지원을 포함하는 개방형 SW/HW 플랫폼

설계자들이 이러한 기능을 사용해서 4G의 과제들을 해결하는 방법을 더 잘 이해할 수 있도록 SystemVue EDA 환경을 예를 들어, 앞서 식별한 네 가지 기능을 제공하는 ESL 설계를 위한 EDA 환경으로 생각해본다(그림 1). 무선 통신 시스템의 PHY에 초점을 맞추면, 시스템 설계자와 알고리즘 개발자는 신호처리 혁신 기술을 정확한 RF 시스템 모델링, 테스트 장비와의 상호작용 및 알고리즘 레벨의 기준 IP와 응용 프로그램을 결합할 수 있게 된다. W1918 LTE-Advanced 라이브러리는 SystemVue 옵션으로 100개의 기준 모델, 코딩 소스 및 수신기, 그리고 3GPP 릴리스 8~10용 테스트벤치를 제공한다.

과제 1: 설계 플로 전반에 사용할 수 있는 작동 알고리즘 기준에 대한 액세스 획득.
알고리즘 또는 IP 기준은 모델 기반 설계에 있어 중요한 구성요소다. 실제로, 개인 설계자 또는 다른 엔지니어 팀 여부에 관계없이 설계 프로세스에 참여하는 모두가 일정 수준의 알고리즘 기준에 접근할 수 있어야 한다. 문제는 전체 설계 플로 시 설계 팀 전체가 사용할 수 있는 기준을 구하는 데 있다.
해결책: 해당 과제를 해결하기 위해서는 모델 기반 설계를 지원하고 설계 플로 전반에 걸쳐 다른 팀 엔지니어에게 IP를 전달할 수 있는 EDA 솔루션이 필요하다(그림 1). SystemVue는 교차-도메인 PHY 모델링 프레임워크를 제공하므로 소프트웨어, 하드웨어, 시뮬레이션 및 측정을 조합해서 실제 베이스밴드와 RF를 통합하는 작동 PHY를 작성하는 데 사용할 수 있다. W1918 라이브러리에는 모델 기반 설계용 공개 “주요 사례(Golden Reference)”가 있다(그림 2). 설계 프로세스 전반에 걸쳐 사례를 활용하면 RF와 시스템 레벨의 성능을 모두 인식하고 알고리즘 모델링을 완료할 수 있다.



과제 2: 유연한 조기 검증 보장과 NRE(Non-recurring Engineering) 비용 최소화.
LTE-A는 새로운 표준이므로 검증이 어려울 수 있다. 표준-준수 테스트벤치(예: TS 36.101-104)는 스크립팅 및 기준 IP를 요구하도록 구성해야 하며, NRE 비용을 부과해야 한다. 또한 테스트(예: 처리량 테스트)와 관련된 대부분의 검증에는 피드백 루프가 닫혀 있는 형태의, 완전한 운영 시스템이 필요하다.
해결책: 해당 과제를 해결하기 위해서는 사전 구성된 표준-기반 테스트벤치, 설계 프로세스를 시작할 전체 작업 기준 PHY, 그리고 처리량, EVM, ACLR과 같은 특수 측정 장치에 대한 지원이 필요하다. 이밖에도 고도로 매개변수화된 소스가 필요한데, 이는 알고리즘 개발자들을 위해 공개 블록 다이어그램 기준으로 사용할 수 있으며, 또한 하드웨어 검증용 테스트 장비에 다운로드를 위한 사용자 정의 테스트 벡터를 제공해야 한다.
SystemVue의 W1918 LTE-A 라이브러리는 최대 8개의 안테나가 있는 전체 코딩 다운링크(downlink) 소스와 최대 4개의 안테나가 있는 LTE-A 전체 코딩 UL 소스를 구현한다. 릴리스 10 알고리즘 검증을 위해 설계자는 일부 SystemVue 구성요소를 MATLAB 또는 C++ 코드와 같은 자체 알고리즘 구성요소로 대체할 수 있다.

과제 3: 반송파 집적(CA)으로 인해 RF 설계에 추가되는 작업 부담 처리.
CA는 LTE-A에서 최대 100 MHz의 스펙트럼 할당을 지정하는 데 사용하는 메커니즘이다. 연속 및 불연속 구성요소 반송파 집적을 사용하면 더욱 넓은 대역폭을 제공할 수 있다. 그러나 유감스럽게도 증가된 대역폭은 최대 전력 대 평균 전력의 비(PAPR)를 극심한 수준으로 만들고, 주파수 의존성 및 기타 아날로그 저하를 나타내는데, 이는 다수의 구성요소 반송파에 걸쳐 나타난다. 비연속 CA, 다수의 가능한 RF 밴드 및 MIMO층 수는 RF 설계 과제를 더욱 가중시킨다.
해결책: 이러한 문제를 처리하기 위해서는 RF 한계 백업을 시스템 레벨 성능으로 전환하고, PHY 시뮬레이션과 측정의 연관성을 보여줄 수 있어야 한다. 또한 전력 증폭기 설계를 선형화하려면, 파고율 감소(Crest Factor Reduction, CFR)와 디지털 사전 왜곡(Digital Pre-Distortion, DPD)을 활용해야 하는데, 이 두 가지 전략은 CA로 인해 증가한 대역폭에서 발생하는 높은 PAPR을 처리하는 데 필수적이다.



SystemVue는 스펙트럼, CCDF 및 PAPR의 특징을 설명하는 세 개의 LTE-A 개발 시나리오를 구현해서 이러한 필요성을 충족할 수 있다(그림 3). 전력증폭기 비선형성과 메모리 효과를 모델링/수정하려면, SystemVue의 W1716 디지털 사전 왜곡 애플리케이션 키트를 사용하면 된다. 테스트 장비 및 RF 회로 공동 시뮬레이션과 함께 작동해서 전력증폭기의 ‘정확성’을 신속하게 평가한다. 따라서 설계자는 레이어 1 링크 레벨 아키텍처 사례에 포함된 ‘오염된’ 전력증폭기를 모델링 할 수 있게 된다.

과제 4: MIMO와 채널 고려사항에 대한 적절한 처리.
LTE-A 검증은 복잡한 프로세스로, MIMO의 다중성으로 인해 더욱 복잡해지므로 시뮬레이션을 하는 동안 MIMO 채널을 고려해야 한다.
해결책: 이 경우에는 가상 설계 툴 기법(예: 상향식 EDA 플로의 시뮬레이션 링크)을 사용하면 격차를 해소할 수 있는 한 가지 방법을 얻을 수 있는데, 알고리즘/아키텍처 설계 단계에서 경이적인 수준의 정확성을 제공한다. SystemVue에는 실제 하드웨어 측정 장치로 구성하면 불편할 수 있는 다중 채널 MIMO 시나리오를 시뮬레이션 할 수 있는 기능이 있어, 알고리즘 및 기능의 조기 검증에는 시뮬레이션 기반 대안을 제공한다. 이 기능은 W1715 MIMO Channel Builder에서 사용할 수 있는데, 이는 옵션으로 제공되는 SystemVue 블록 세트로, 예측 BER/FER 및 LTE, LTE-A 또는 802.16m 시스템의 처리량 페이딩 시뮬레이션에 WINNER Ⅱ와 LTE-A MIMO 채널 모델(최대 8x8 MIMO) 모두를 제공한다. 이 해결책에서 불완전한 안테나 배열 및 연관된 MIMO 페이딩과 전달에 관한 효과를 시뮬레이션 및 고속 하드웨어 페이더 모두에 걸쳐 직접 비교할 수 있다. 또한 설계 프로세스에서 유사 사례 알고리즘을 사용하면 검증으로 쉽게 전환할 수 있다.

과제 5: LTE-A에 필요한 검증의 대폭 증가로 인한 처리.
검증 작업이 늘어난 데는 여러 요인이 있는데, 여기에는 다양한 베이스밴드 PHY 운영 모델, RF 스펙트럼 할당/대역 및 아날로그 제어 설정; 신규 반도체 공정, 배터리 및 환경 조건; 도메인 간 스크립팅, 회귀, IP 교환 및 테스트벤치에 대한 필요성이 포함된다.



해결책: 해당 과제를 처리하기 위해서는 검증을 단순화하고 속도를 높일 수 있도록 설계한 새로운 기능을 다양하게 갖춘 차세대 EDA 툴이 필요하다(그림 4). 예를 들어, SystemVue는 FCE(Fast Circuit Envelope) 검증 모델링과 고유의 RF 시스템 모델링을 모두 지원한다. RFIC 검증은 단순히 FCE 행동 모델을 RFIC 회로 툴에서 내보낸다. 그런 다음 SystemVue는 전력 (및 주파수) 의존성, 비선형 메모리 효과 및 주파수 변환 등을 설명하는 안정적인 시스템 레벨 모델을 즉시 제공한다.
대부분의 신규 기술과 마찬가지로, LTE-A에 관한 설계 과제는 방대하며, 특히 PHY 아키텍처 개발에 있어 더욱 그렇다. 새로운 LTE-A 표준에 맞는 우수한 시스템을 설계하고자 하는 엔지니어는 이러한 과제들을 적절하게 해결해야 한다. SystemVue와 같은 차세대 EDA 툴은 이러한 과제를 처리하여, 결과적으로 LTE-A 설계를 성공적으로 개발하고 배포하는 데 필요한 기능을 제공한다.