韓國電磁波學會論文誌第 卷第 1 號 011 年 1 月論文 011--1-04 http://dxdoiog/105515/kjkiees01111078 무선통신시스템의전력모델을이용한비트당최소에너지 Minimum Enegy e Bit by owe Model in the Wieless Tansceive System 최재훈 조병각 백광훈 유흥균 Jae-Hoon Choi Byung Gak Jo Gwang Hoon Baek Heung-Gyoon Ryu 요약 본논문은 RF powe model 과주파수대역의특성을이용한비트당에너지와전송량과의관계를시스템대역폭의변화에따라분석한논문이다 기존에제안된 RF powe model 은각각의디바이스의소모전력을수식적으 로표현한것이다 이전력모델에고려된요소는시스템의전송대역과 AR, 데이터전송량, 변조레벨, 전송, 전송거리등이다 본논문에서는이러한영향을고려하여 RF powe model 과주파수대역의특성을이용한비트당에너지와전송량의관계를시스템대역폭의변화에따라분석하였다 Shannon capacity 공식과신호의 SNR 에 대한식, 그리고 RF powe model 의소모전력을이용하여해당주파수에서의소모전력을구하고, Gbps 급데이터속도에따른비트당에너지의최소값을찾기위한시뮬레이션을진행하였다 Abstact In this pape, we analyze the elationship between enegy pe bit and the data ate with the vaiation of the system bandwidth A existing powe model is mathematical model to expess powe consumption of each device In this pape, we have to investigate the system level enegy model fo the RF font-end of a wieless tansceive Also, the effects of the signal bandwidth, AR, date ate, modulation level, tansmission distance, specific attenuation of fequency band, and the signal cente fequency on the RF font-end enegy consumption and system capacity ae consideed Eventually, we analyze the elationship between enegy pe bit and the data ate with the vaiation of the system bandwidth so that we simulate the minimum enegy pe bit in the seveal Gbps data ate using Shannon capacity theoy Key wods : owe Model, owe Consumption, Enegy e Bit Ⅰ 서론저전력무선통신시스템의설계는연구자들에게지속적으로큰관심을끌고있는분야이다 최근에는저전력무선통신시스템을설계하기위한접근방법들이제안되었으며, 그방법으로는변조방식에변화를주는방식 [1]~[3], 멀티-홉방식과 [4] 스케줄링을통한방식이있다 [5] 이러한접근방식은디지털파 트에서의전력소모에초점을맞추고있는것이대부분이다 그러나무선통신시스템에서의전력소모는대부분 RF 파트에서발생하게된다 그예로, Intesil의 RISM Ⅱ 칩셋을기반으로하는 IEEE 8011b 무선랜카드의경우 RF font-end에서의전력소모가 75 % 에달한다 그런이유로, 무선통신시스템을설계할때 RF 파트의정확한전력소모를예측하여시스템을설계하기위해 RF 파트의전력 본연구는 011 년도국방과학연구소의위탁연구비지원에의해수행되었다 ( 계약번호 UD11008ED) 충북대학교전자공학과 (Depatment of Electonic Engineeing, Chungbuk National Univesity) 논문번호 : 0110818-089 교신저자 : 유흥균 (e-mail : ecomm@cbuack) 수정완료일자 : 011 년 11 월 1 일 1078
무선통신시스템의전력모델을이용한비트당최소에너지 모델이필요하다 최근 RF 송수신기의전력모델이제안되었다 [6] 이제안된모델은송신기와수신기의각각의장치들을모델링하였으며, RF 전력모델을이용하여시스템의품질을분석하였다 그러나, 이논문에서사용된모델은거리에따른자유공간손실만이고려되었으며, 주파수대역의특성이반영되어있지않다 또한, 시스템의 capacity에대한분석이없이단지시스템의 BER 특성과 AR 특성만을분석하였다 또한무선송수신기의에너지효율을나타내기위한방식으로, 통신방식에의한전력소모와송수신기의전력효율을이용한방식이제안되었다 [7] 이방식은서로다른변조방식에대하여에너지효율을비교하기위한기준점을제시하였으나, 전력모델을이용한비트당에너지에대한부분은거론하지않았다 따라서본논문에서는신호의대역폭과 AR, 전송량, 변조레벨, 송신거리, 주파수대역의특성을고려하여 RF font-end에서의에너지소모와시스템의 capacity에대해 1~60 GHz의주파수대역에대해분석하였다 이논문의구성은다음과같다 장에서는이논문에서사용한 RF 전력모델에대해서술하며, 3장에서는주파수대역에따른시스템의 capacity 에대해분석한다 마지막으로 Ⅳ장에서시스템의 capacity와신호의대역에따른시스템의전체에너지소모에대해알아본다 Ⅱ 전력소모모델 -1 송신기와수신기모델그림 1과 는시스템의모델링에사용된무선송신기와수신기의구조를나타낸다 [6] 송신기는 DAC 와 filte, mixe, RF synthesize, A, RF filte로이루어져있으며, 수신기는 band select filte와 mixe, RF synthesize, LNA, baseband amplifie, baseband file, ADC로이루어져있다 송신기와수신기의동작상태는 3가지로나뉘게되며, (1) Active state : 신호를전송하거나신호를수신, () Sleep state : 신호를전송하거나수신하고있지않는상태, (3) Tansient state : active state에서 sleep state 혹은 sleep state에서 active state로변화하는상태로구분한다 따라서시 그림 1 송신기블록도 Fig 1 Basic block diagam of the tansmitte 그림 수신기블록도 Fig Basic block diagam of the eceive 스템의전체적인에너지소모는다음과같이정의 할수있다 [6] E = T + T + T total active active sleep sleep tansient tansient (1) Active state 에서의파워소모가가장크기때문에, 이논문에서는 active state 에서의전력소모만을고 려한다 따라서송신에너지는다음과같이표현할 수있다 [9] E = ( + + + + + + + ) T active A mix FS LNA filte BA DAC ADC active A 는 A의전력소모, () mix 는 mixe의전력소모, FS 는 fequency synthesize의전력소모, LNA 는 LNA의전력소모, filte는 filte의전력소모이며, BA 는 baseband amplifie의전력소모를나타낸다 - 전력모델 이절에서는 1 절에서의송신기와수신기모델의 각장치들의전력소모모델에대해서술한다 이논 문에서는기존의 RF 전력모델을사용한다 [6] 1079
韓國電磁波學會論文誌第 卷第 1 號 011 年 1 月 DAC 의전력모델은 AR(eak-to-aveage atio), SQNR(Signal-to-Quantization-Noise Ratio), 신호의대 역에의한수학적모델로표현할수있다 DAC dd 0 SQNR ( ( db ) + AR ( db ) - 477 db /60 1) = V I - SQNR ( db) + AR ( db) -477 db + C OSR B V 60 (3) 05 p dd Analog filte 의전력소모는식 (4) 와같이정의할 수있다 [9] n kt Q f SNR filte = 0 (4) n 은 filte 의 topology 에의해결정되는상수이며, Q 는 op-amp 의 RC 와상호콘덕턴스 C 에의해변화하 는 quality facto, SNR 은 filte 의 signal-to-noise atio 이다 또한, intege-n LL fequency synthesize 의전력 소모는다음과같이추정된다 [6] pll = b1 C1 Vdd FLO + b C Vdd Fef (5) C1과 C 은 RF 회로의총 paasitic capacitance를나타내며, Fef 은 efeence 주파수, Vdd는공급전압이다 VCO의소모전력은다음과같이나타낼수있다 [6] R VCO = R I pk = C Vpk L R = RC w V = V Lw c pk pk c V pk는 peak 시의전압이며, I pk (6) 는 tank 회로의전류 를나타낸다 주어진저항값과 inductance 의증가에 따라효율은증가하게된다 MQAM 변조시스템의 경우다음과같이정리할수있다 k T wc Sf = NEF, Q Dw 3 sig (7) æ R ö k T 1 VCO = C ç NEF è L ø S f ( Dw) (8) NEF는발진기기에서의 noise excess facto, Q는 LC 탱크의 quality facto, sig 는신호파형의파워, Dw 는중심주파수의주파수옵셋을나타낸다 Mixe 의전력소모모델은 noise figue NF 와 gain K 로표현할수있다 [8] mixe = kmixe K / NF (9) LNA 는수신기에서의 noise figue 의영향을받게 된다 따라서 noise figue NF 와 gain A 의식으로표 현할수있다 [9] LNA= klna A / NF (10) Class A A 의효율은출력파워의 RM 에비례하 게된다 [9] K ms out h = = K = A out _ max AR (11) 따라서 A 의소모전력은다음과같이유도되며, K ms A = AR (1) A 의전력모델은식 (13) 으로나타낼수있다 [6] A 16 p d L b = ( - 1) N 3G G l K t -1 æ -1 1 æ 1 ö öö Q ç - SER AR / æ 1 ç ç ç 4 b è ø è è øø (13) G 과 G t 는각각송신기와수신기의안테나이득 을나타내며, d 는송신거리, L 은시스템손실, l 은반송파의파장을나타낸다 위의식 (13) 은 M- 표 1 RF 전력소모 [6] Table 1 RF powe consumption [6] owe model function AR=10 db A (AR, d, b, SER) 46 mw Mixe (K, NF) 303 mw FS ( w c, F LO, F ef ) 675 mw LNA (A, NF) 0 mw ADC (AR, SNR, f) 585 mw DAC (AR, SNR) 43 mw Filte (SNR, f) 5 mw BA (B, a BA ) 5 mw 1080
무선통신시스템의전력모델을이용한비트당최소에너지 QAM에의한수식으로다른변조방식을사용하는시스템의경우 Q함수가변경되어야한다 Ⅲ 시스템용량이절에서는시스템의 capacity에채널환경이미치는영향에대해서술한다 ITU-R 채널모델 (ITU-R 676-1) 중에서대기에의한감소모델 (dy-ai) 과수증기에의한감소모델 (wate vapo) 을사용하였다 또한, Shannon capacity 수식을이용하여주파수대역의변화에따른시스템의 capacity 변화를시뮬레이션하였다 3-1 신호감쇄모델 대기에의한신호감쇄모델은지표면 ( 기압 = 1,013 ha) 15 의환경에서다음과같이나타낼수 있다 [10] g -3 dy = {719 10 + + 481 f 609 + 07 3 } 10 db/km ( f 57) 150 f - - + fo f < 57 GHz (14) 또한, 수증기에의한신호감쇄모델은지표면 ( 기 압 = 1,013 ha) 15 의환경에서다음과같이나타 낼수있다 [10] g = {0050 + 0001 + w + + 106 ( f - 1833) + 90 89 36 ( f - ) + 85 4 } 10 db/km ( f 354) 63 f - - + fo f <350GGHz (15) f 는 GHz 단위의신호주파수를의미하며, 는 3 대기중의수증기밀도를나타낸다 ( g / m ) 그림 3 은식 (14) 와 (15) 를이용하여시뮬레이션 한결과이다 1~50 GHz 범위의주파수에서는큰전 력감쇄가일어나지않으나, 50~60 GHz 에서 dy ai 에의한감쇄가크게일어나는것을확인할수있다 3- 시스템용량 그림 3 대기와수증기에의한신호감쇄 (1~60 GHz 주파수대역 ) Fig 3 Specific attenuation - dy ai and wate vapou condition(1~60 GHz fequency band) 수신기에서의 SNR 은수신신호의파워와시스템 의 noise floo 에의해결정된다 따라서변조기에입 력되는신호의 SNR 은다음과같이나타낼수있 다 [11] SNR SNR F dem = = out G Gt L F KTB (16) L 은자유공간에의한신호의감쇄이며, F 는 noise facto 를나타낸다 식 (13) 은자유공간감쇄만 이존재하는환경에서의 SNR 을나타낸다 따라서, 식 (13) 에식 (14) 와 (15) 의감쇄모델을포함하여식 (17) 로표현할수있다 SNR dem SNR out G Gt = = F L F KTB Lsp (17) L sp는식 (13) 과 (14) 로표현되는대기와수증기에 의한신호감쇄이다 C B SNR = log ( + 1) (18) 식 (18) 은 Shannon 의채널용량에대한공식으로, 식 (17) 에서유도한변조기의 SNR 을대입하면다음 과같이나타낼수있으며, 이식은주파수대역에 따른주파수특성의변화가포함된시스템의용량을나타낸다 1081
韓國電磁波學會論文誌第 卷第 1 號 011 年 1 月 표 A 외 ADC 시뮬레이션파라미터 Table A and ADC simulation paamete aamete aamete Bandwidth 0 MHz SER 10 4 Fequency band 1~60 GHz G_ 1 Distance 1 km G_t 1 Modulation QSK, 16QAM Loss 08 Noise powe 101 dbm V_dd 3 V Roll-off facto 0 L_min 04 um 그림 4 시스템용량 Fig 4 System capacity using Shannon capacity C B SNR dem = log ( + 1) (19) 그림 4 는주파수대역의변화에따른시스템 capacity 의변화를시뮬레이션한결과이다 송신거 리 d=1 km, 출력신호의전력 out 은 10 dbm, noise facto=6 db, 대역폭은 15 GHz 이며, 수신기와송신 기의안테나이득은 1 이다 이결과에서시스템의 용량은주파수대역이증가함에따라감소하는것을 볼수있으며, 53~60 GHz 사이에급격히감소하는 것을볼수있다 이는그림 3 에서볼수있듯이 53 ~60 GHz 대역에서 dy ai 에의한신호감쇄가심하 게발생하기때문에나타나는현상이며, 자유공간 에의한신호감쇄는주파수대역이높아질수록증 가하게된다 서는 A 의전력소모가가장크며, 변조레벨이변 화하게되면소모전력또한변화하게된다 [6] 본논문에서는송신기와수신기의 3 가지동작상 태중, active 상태만을고려했기때문에시스템의전 체전력모델은다음과같이나타낼수있다 = + + + + total mixe FS LNA filte BA + A + ADC + DAC (0) 그림 5 는주파수의대역과변조레벨의변화에따른시스템의총전력소모를시뮬레이션할결과이 다 신호의중심주파수가동일할경우, 변조레벨 에의해전력소모가변화하는것을볼수있다 이 것은변조레벨의증가에의한 AR 과요구되는 SNR 값이증가하여 A 의전력소모가증가하였기 때문이다 Ⅳ 전력소모와비트당최소에너지 이절에서는주파수대역에따른시스템의전력 소모를 절에서서술한 RF 전력모델을사용하여계 산하고비트당최소에너지 E b 를찾기위한시스템 모델을제안한다 테이블 는 ADC 와 A 의전력모델의 paamete 를 나타낸것이다 절에서알아본것과같이주파수 대역의변화에의해전력소모가변화하는것은 A 와 ADC, 그리고 filte 이다 이 3 가지전력모델중에 그림 5 시스템의총전력소모량 Fig 5 System total powe consumption using RF powe model 108
무선통신시스템의전력모델을이용한비트당최소에너지 식 (17) 에서유도한 SNR 식과식 (19) 의 Shannon capacity 공식을이용하여다음과같이나타낼수 있다 한다 SNR dem e R out G B Gt = - 1 = KTB L F Lsp (1) e 은 e ³ 1 의상수이며, 이논문에서는 1로가정 식 (1) 을송신전력의식으로변형하면다음과같이나타낼수있다 out e R KTB L F Lsp æ ö B = ç -1 G Gt è ø () 따라서, 시스템의총에너지소모는식 (3) 으로 정리된다 æ out ö Etot = ç + mixe + FS + filte + DAC Tt + T è h ø (3) 은수신기에서의전력소모를나타내며, LNA, BA, mixe, fequency synthesize, filte, base-band amplifie, ADC의전력소모이다 은 절에서의 RF 모델에의해계산된전력소모 4773 mw 로시뮬레이션하였으며, 이는 60 GHz 대역에서의전력소모 이다 = mixe + FS + LNA + filte + BA + ADC (4) 송신기와수신기의동작시간을고려한시스템의전체적인전력소모는식 (5) 로표현되며, 1 tot = Etot T + T (5) t 그에따른비트당에너지 수있다 1 Eb = tot Rb 식 (3)~(6) 를정리하면, 로나타낼수있다 E b 는식 (6) 로정리할 (6) Eb 는다음과같은식으 e R éktb L F Lsp æ ö ù 1 1 B Eb = ç - 1 Tt + T ëê G Gt h è ø ûú Tt + T Rb (7) 그림 6 비트당에너지 Fig 6 Enegy pe bit 그림 6 은 data ate R 의변화에따른비트당에너지를시뮬레이션할결과이다 중심주파수는 60 GHz이며, out / h =0 mw, 송신거리는 0 m, e =1, h =5 %, F=16이다 R<5 Gbps에서의비트당에너지 는 1 GHz 와 GHz 의주파수대역에서동일한것을 알수있다 그러나 5 Gbps 이상의 data ate 에서는 1 GHz 의주파수대역을사용하는시스템의비트당에 너지가 GHz 의대역폭을사용하는시스템에비해 더큰것을확인할수있다 이는 Shannon capacity의 e R 식에의하여비트당에너지는 B 에의하여증가하 기때문이며, 대역폭이클수록시스템의용량도증 가할뿐만아니라, 비트당에너지도감소시킬수있 다 또한, 한계치의 data ate 를넘어서는경우비트당 소모에너지가급격히증가하는것을볼수있다 이 것은 Shannon capacity 에의해제한되는전송용량을 넘어서게되기때문에급격한전력소모를보이게 되는것이다 Ⅴ 결론 본논문은기존의 RF 전력모델을이용하여, 신호 의대역, AR, Symbol ate, 변조레벨, 전송거리, 주 파수의감쇄특성, 반송파의주파수대역이 RF font-end 의전력소모에미치는영향에대해 1~60 GHz 의주파수대역에대해분석하였다 또한, 신호 의대역이비트당에너지에미치는영향에대해분 석하였다 시스템의전력소모는이미알려졌듯이 1083
韓國電磁波學會論文誌第 卷第 1 號 011 年 1 月 주파수의대역이증가함에따라증가하기때문에시스템의전송거리를고정하였을경우, 주파수의대역이올라갈수록시스템의전력소모는증가하게되며, 시스템의 capacity는감소하게된다 그러나 Ⅳ 에서알아보았듯이신호의대역폭은데이터전송량은물론이며, 비트당에너지에도큰영향을미치게되는것을알수있다 따라서, 전송신호의대역폭확보가비교적용이한높은주파수대역에서의전송이주파수에의한신호감쇄가크다고하여도근거리의대용량전송에유리하다 참고문헌 [1] D K Kim, H S Lee, "hase-silence-shift-keying fo powe-efficient modulato", IEICE Tans Communication, vol E9-B, no 6, Jun 009 [] J Y Oh, J K Kim, H S Lee, S S Choi, and D S Ha, "hase otation shift keying fo low powe and high pefomance WBAN in-body systems", in oc Infomation and Communication Technology Convetgence ICTC 010, Nov 010 [3] J H Choi, H G Ryu, "A QAM(Quadatue Amplitude osition Modulation) fo low powe consumption communication", Wieless evasive Computing, 011 ISWC'011, Feb 011 [4] R Ramanathan, R Rosales-Hain, "Topology contol of multihop wieless netwoks using tansmit powe adjustment", in oc IEEE INFOCOM 000, Ma 000 [5] Weilan Huang, K B Letaief, "Coss-laye scheduling and powe contol combined with adaptive modulation fo wieless ad hoc netwoks" in oc Global Telecommunications Confeence, GLOBE- COM'005, Dec 005 [6] Ye Li, Betan Bakkaloglu, "A system level enegy model and enegy-quality evaluation fo integated tansceive font-ends", IEEE Tans Vey Lage Scale Integation (VLSI) Systems, vol 15 no 1, pp 90-103, Jan 007 [7] Andew Y Wang, Chales G Sodini, "On the enegy efficiency of wieless tansceives", in oc IEEE ICC'006, Jun 006 [8] Wambacq, G Vandesteen, and S Donnay, et al, "Highe-level simulation and powe modeling of mixed-signal font-ends fo digital communications", in oc IEEE ICECS, pp 55-58, 1999 [9] G Hanington, F Chen, M, Asbeck, and L E Lason, "High-efficiency powe amplifie using dynamic powe-supply voltage fo CDMA applications", IEEE Tans Micow Theoy Tech, vol 47, no 8, pp 1471-1476, Aug 1999 [10] ITU-Rec 676-1, "Attenuation by atmospheic gases in the fequency ange 1~350 GHz", 199 [11] Xia Li, ete Baltus, D Milosevic, Wei Deng, Van Zeijl, N Bid, and A van Roemund, "Wieless wie-the 60 Ghz ulta-low powe adio system", in oc Radio and Wieless Symposium RWS' 009, Jan 009 최재훈 010 년 월 : 충북대학교전기전자컴퓨터공학부 ( 공학사 ) 010 년 3 월 ~ 현재 : 충북대학교전자공학과석사과정 [ 주관심분야 ] 무선통신시스템, 인체통신시스템 조병각 모뎀 000 년 월 : 아주대학교전기전자공학부 ( 공학사 ) 00 년 월 : 아주대학교전기전자공학부 ( 공학석사 ) 00 년 1 월 ~ 현재 : 국방과학연구소선임연구원 [ 주관심분야 ] 위성통신시스템, 1084
무선통신시스템의전력모델을이용한비트당최소에너지 백광훈 트워크, 모뎀 1988 년 월 : 경북대학교전자공학과 ( 공학사 ) 1990 년 월 : 경북대학교전자공학과 ( 공학석사 ) 1990 년 1 월 ~ 현재 : 국방과학연구소책임연구원 [ 주관심분야 ] 위성통신시스템, 네 유흥균 1988 년 현재 : 충북대학교전자공학과교수 00 년 3 월 ~004 년 월 : 충북대학교컴퓨터정보통신연구소소장 00 년 : 한국전자파학회학술상수상 008 년 : ICWMC 008 국제학술대회 "Best ape Awad" 수상 [ 주관심분야 ] 무선통신시스템, 위성통신, B3G/4G 이동통신시스템, 통신회로설계및통신신호처리 1085