6G 공동 통신 및 감지 시스템의 효율적인 프로토타이핑

​통신 및 감지 결합

자율 차량 네트워크는 여러 분야 중에서 이미 레이더 감지와 무선 통신을 통합하고 있는 분야입니다. 전통적으로 레이더와 통신은 각자 고유한 주파수 대역에서 작동하며 고유한 하드웨어 플랫폼이 필요했습니다. 그러나 6G에서는 두 기능이 통합되어 동일한 웨이브폼을 공유할 가능성이 높습니다. 이는 하드웨어와 스펙트럼을 효율적으로 사용할 수 있게 하고 두 서비스의 효율성을 향상하고 많은 새로운 응용 가능성을 열 것입니다. 이 접근 방식은 JC&S(공동 통신 및 레이더 감지) 또는 ISAC(통합 감지 및 통신)로 알려져 있으며, 목표는 통신망에서 요청 시 동일한 무선 자원을 재사용하고 단일 하드웨어 플랫폼(그림 1)을 사용하여 서비스로써의 레이더(RaaS)를 제공하는 것입니다. 드레스덴의 Barkhausen Institute는 이러한 JC&S 시스템을 연구하고 있으며 하드웨어 검증을 위해 NOFFZ에서 개발한 소프트웨어 프레임워크를 사용하여 연구원들이 효율적인 프로토타이핑을 위해 NI의 mmWave 트랜시버 시스템을 사용할 수 있도록 하고 있습니다.

^{그림 1. 자동차, 도로 위의 사람, 기지국과의 공동 통신 및 감지 시나리오. (1)}

JC&S 프로토타이핑을 위한 테스트 요구 사항

JC&S는 B5G(Beyond 5G) 네트워크의 핵심 기능 중 하나가 될 것으로 기대됩니다. 레이더와 통신 시스템을 결합하려면 보다 비용 및 전력 효율적인 트랜시버를 설계해야 합니다. Barkhausen Institute에서 연구원들은 두 가지 목적을 위해 효율적이고 비용 효율적으로 적용할 수 있는 새로운 웨이브폼과 적절한 신호 처리 기술을 연구하고 있습니다. 2019년 8월, 그들은 통신 및 레이더 기술의 설계와 검증을 모두 가능하게 하는 74GHz mmWave 트랜시버 시스템을 찾는 공개 입찰을 시작했습니다. NI mmWave 테스트 시스템 하드웨어 플랫폼, 높은 처리량 FPGA 프로그래밍 및 일반 소프트웨어 개발에 대한 NOFFZ의 전문성은 Barkhausen Institute 연구원들에게 mmWave 범위에서 임의 웨이브폼의 생성 및 측정을 제어하는 간단한 API를 제공하는 데 매우 적합했습니다.

솔루션 개요 및 이점

NOFFZ는 연구원이 자신의 전문 지식에 집중하고 하드웨어와의 복잡한 상호 작용을 추상화할 수 있는 소프트웨어 프레임워크를 포함하는 완전한 테스트 시스템을 제공했습니다.

선택한 하드웨어 플랫폼(무선 헤드가 있는 NI mmWave 트랜시버 시스템)은 2GHz의 리얼타임 대역폭과 55dB의 아날로그 게인 범위로 71–76GHz의 작동 주파수를 지원합니다. 또한 해당 플랫폼은 TX 및 RX 경로 모두에 사용할 수 있는 세 가지 작동 모드가 있기 때문에 선택되었습니다. 이 시스템에는 기저대역 및 IF 하드웨어가 포함되어 있어 다양한 RF 프런트 엔드를 사용하거나 IF 또는 기저대역 신호만 사용하는 유연성을 허용합니다. 이 플랫폼은 최대 3.072GSps의 I/Q 샘플링 속도와 12비트의 I/Q 데이터 분해능을 지원합니다. 통합된 NI FlexRIO FPGA는 2GHz 채널을 실시간으로 처리하거나 다양한 디지털 신호 처리(DSP) 알고리즘을 구현하는 데 사용할 수 있습니다. 또한 시스템 아키텍처는 API 확장을 통해 새로운 소프트웨어 환경을 지원할 수 있습니다.

^{그림 2. 시스템 아키텍처는 작동 모드의 유연성과 다른 부품의 모듈식 교체를 지원합니다.} 

두 번째 장점은 시스템 동기화입니다. 두 PXI 시스템은 독립적으로 또는 동기화된 모드에서 작동할 수 있습니다. 후자를 위해 타이밍 및 동기화 모듈(NI PXIe-6674T)이 mmWave 트랜시버 시스템의 기본 구성에 추가되었습니다. 두 개의 PXI 시스템은 전송과 두 수신기를 위한 시작 트리거를 공유할 수 있습니다. 또는 LO를 공유하는 일관된 작업에서 작동할 수 있습니다. 시스템이 초기화되면 동기화 안정성(트리거 지터)은 1ns 미만입니다. 이것은 요구되는 25ns의 값이 지금까지 충족되었음을 의미합니다.

^{그림 3. mmWave 테스트 시스템은 두 개의 하위 시스템으로 구성됩니다. 시스템 A(트랜시버, 하위 디바이스)는 맞춤형 IQ 샘플로 RF 신호의 일관된 송수신을 지원하며 레이더 신호 분석에 사용됩니다. 시스템 B(수신기, 상위 디바이스)는 RF 신호를 수신하며 주로 통신 신호 부분에 사용됩니다. (2)}

설명된 시스템 아키텍처는 확장 가능한 모듈식 소프트웨어 덕분에 입찰에서 이겼습니다. NOFFZ는 세 가지 모듈을 설계했습니다.  

1. mmWave 계측기 제어 앱
2. 명령 서비스 앱
3. Python API  

입찰에서 요청한 대로 원격 기기 제어는 Python API를 통해 구현되었습니다. NI mmWave 시스템에서 실행되는 모듈은 NI LabVIEW를 사용하여 구현되었습니다. NI LabVIEW FPGA 모듈은 TX 및 RX 경로 모두에서 디지털 기저대역 확장을 위해 참조 FPGA 코드를 확장할 수 있게 합니다. 모듈과 어플리케이션은 여러 타겟 및 프로그래밍 언어를 사용할 때 연결 관리에 흔히 사용되는 ZeroMQ(ZMQ) TCP 라이브러리를 사용하여 서로 통신합니다. 또한 디버깅 및 제어 목적을 위해 PXI 시스템에서 로컬로 실행되는 사용자 인터페이스가 개발되었습니다. 시뮬레이션 모드는 하드웨어 접근 없이도 API를 테스트하고 실험할 수 있게 합니다.

^{그림 4. NOFFZ가 개발한 세 부분으로 구성된 NI mmWave 테스트 시스템 소프트웨어 아키텍처.}

NOFFZ의 목표는 복잡한 RF mmWave 하드웨어를 추상화하여 간단한 API로 작업할 수 있게 하는 완전한 소프트웨어 프레임워크를 개발하는 것이었습니다. 이는 사용자가 장비 활용도를 쉽게 극대화할 수 있도록 합니다. NI mmWave 트랜시버 시스템은 NI LabVIEW 및 기본적 샘플 스트리밍 프로젝트에 대한 API 지원이 포함된 기성 소프트웨어 정의 라디오입니다. JC&S 시스템에 대한 새로운 웨이브폼을 찾으려면 OFDM(직교 주파수 분할 다중화) 또는 FMCW(주파수 변조 연속파)를 기반으로 하는 새로운 제안이 필요합니다. 내부적으로 이를 위해서는 더 높은 샘플 크기와 신호 수정이 가능하도록 온보드 DRAM을 사용하는 FPGA의 추가가 필요했습니다.

요약 및 전망

이론적으로 무선 통신과 레이더 감지는 동일한 물리적 현상, 즉 전자기파의 전파를 기반으로 하므로 동일한 웨이브폼, 스펙트럼 및 하드웨어를 공유할 수 있습니다. 그러나 실제로 이것은 광범위한 연구와 프로토타이핑을 필요로 합니다.

Barkhausen Institute의 연구원들은 앞서 설명한 mmWave 테스트 시스템으로 초기 이정표를 달성할 수 있었습니다. 모듈식 플랫폼은 통신 알고리즘을 테스트하고 개념을 시연할 수 있게 했습니다. 처프 기반 웨이브폼 및 RF 하드웨어 문제에 대한 일부 결과는 이미 동료 심사 논문에 발표되었습니다. 자동차 또는 기타 사용 사례에서의 실현은 궁극적으로 공동 기능 시스템의 비용 효율성에 달려 있습니다. NOFFZ의 Python API 및 FPGA 추가의 구현과 개발 덕분에 이러한 프로세스의 속도는 더 빨라질 것입니다. 

저자 정보:

Thomas Magruder, General Manager, NOFFZ Technologies USA Inc. thomas.magruder@noffz.com +1 512 692 7137 NOFFZ Technologies USA Inc. 2808 Longhorn Blvd, Suite 308 Austin, TX 78758, USA,
Milos Radulović, Managing Director, NOFFZ-Forsteh Technologies d.o.o., Belgrad, Serbia,
Markus Solbach, Director Sales & Marketing, Managing Director, NOFFZ Technologies, Tönisvorst, Germany,
Vanessa Blumenstein, Technical Marketing Manager, NOFFZ Technologies, Tönisvorst, Germany,
Dr. Tim Hentschel, Managing Director, Barkhausen Institut gGmbH, Dresden, Germany

참고 문헌:

^{(1) https://www.barkhauseninstitut.org/en/research/research-topics/joint-radar-and-communication, 2021년 6월 9일}

^{(2) © Lichtwerke Design Fotografie, Barkhausen Institute​ 제공}