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5G 안테나 설계


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글/데이비드 탈봇트(David Talbott), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)


5세대 뉴라디오(5G NR) 통신 프레임워크는 기존 셀룰러 통신에 대해 완전히 새로운 접근방식을 제공한다. 5G NR은 확장 가능한 파형, 다중 접속 방식, 넓은 대역폭에서 서비스 다중화를 지원한다. 또한 기존 서비스를 지원하면서도 미래 규격에 대해 상위 호환성을 제공한다.

5G 무선 기능은 기존 프로토콜보다 더욱 복잡한 신호 처리 기능 및 더욱 높은 데이터 전송 속도를 요구하며 이를 성공적으로 구현하려면 안테나의 설계가 매우 중요하다. 본 칼럼에서는 5G 사용 사례와 5G 규격이 안테나 설계를 어떻게 변화시키고 있는지, 그리고 이러한 새로운 안테나 설계가 5G 네트워크를 구현하는 과정에서 최대의 난관을 어떻게 극복하는지 알아볼 것이다.

5G NR의 규격 및 안테나 설계에서 갖는 의미
5G는 다음과 같은 성능을 제공하는 네트워크 규격으로 인식되어 왔다.

• 초광대역 이동 통신(eMBB): 증강현실(AR), 3차원(3D) 영상 회의, 2차원(2D) 비디오 스트리밍, 고정식 무선 접속을 이용한 인터넷 연결, 기타 고대역폭 애플리케이션 등 데이터 사용량이 많은 분야에 적용
• 대규모 사물 통신(mMTC): 연결된 도시와 가정에 사용되는 고밀도 센서 및 소자, 전 세계의 복잡한 공급망을 모니터링하는 장치, 고속으로 이동하는 연결된 장치 등 대규모로 직접 IoT(사물인터넷)에 연결
• 초고신뢰 저지연 통신(URLLC): (1) 산업 제어 시스템 등 미션 크리티컬 성격의 실시간 애플리케이션 (2) 자율주행 자동차(AV) (3) 원격, 실시간 수술 등 고대역폭, 고신뢰도, 저지연시간을 요구하는 응용 분야

이러한 요구사항을 충족하려면 새로운 대역이 필요하다. 5G 무선에는 저대역과 중대역(최대 6GHz) 및 고대역(24GHz 이상에서 밀리미터 파장)에서 새로운 대역이 할당되었다. 5G 안테나를 설계할 때 문제는 다중 대역에서 작동해야 하는 장치가 일부 있다는 점이다. 또한 셀룰러 네트워크의 전력 수준에서 전송되는 밀리미터 파장은 저대역 및 중대역 파장과 비교할 때 건물, 식물, 빗방울에 더욱 잘 흡수된다는 문제도 있다. 이에 따라 밀리미터 파형을 이용한 통신은 가시선 범위로 제한되기 때문에 스몰 셀로 네트워크를 구성할 필요가 있지만, 셀간 엣지 간섭이 발생할 확률이 증가한다.

안테나의 크기도 고려사항이다. 주파수를 높이면 더 작은 안테나로 동일한 수준의 이득을 얻을 수 있지만, 안테나 크기가 작아지면 획득하는 에너지도 적어서 낮은 주파수대보다 유효 거리가 짧아진다. 반면, 물리적으로 공간이 고정되어 있는 안테나의 경우 주파수대가 증가하고 빔 폭이 감소하면서 송신과 수신 모두에서 이득이 증가한다. 따라서 목적에 따라 안테나 크기를 결정하면 크기와 이득 간 균형을 맞출 수 있을 것이다.

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5G 안테나 기술과 설계
5G NR의 목표를 충족하려면 능동형 안테나 어레이를 사용하는 새로운 안테나를 설계해야 한다. 그래야 신호 도달 범위 증가, 간섭 감소, 데이터 전달 능력 개선 등 효과를 누릴 수 있다.

5G 주파수대의 모든 스펙트럼 포괄
 할당된 전체 주파수대에서 작동하기 위해 5G NR은 450MHz~6GHz 주파수대(FR1) 및 24.25~52.6GHz 주파수대(FR2)에서 작동되는 확장형 프레임워크를 사용한다.

5G NR은 이를 위해 확장형 ODFM(직교 주파수 분할 다중화) 파형을 이용한다. 상이한 주파수대가 제공하는 다양한 채널폭에 부합하도록 상이한 부반송파 신호에 공간을 허용하는 기술이다. 주파수가 높을수록 채널은 넓어지고 부반송파의 공간은 커진다. 반면 주파수가 낮을수록 채널폭과 부반송파 공간이 좁아진다. 따라서 사용 가능한 채널폭에 맞게 부반송파의 공간을 확장할 수 있으면 5G 프레임워크가 광범위한 주파수대에서 작동한다. 그 결과 5G 네트워크를 기존의 4G LTE 네트워크에서도 채용할 수 있다. 따라서 5G 통신 시스템을 사용 사례 또는 부하량에 따라 저주파수대 또는 고주파수대 사이에서 변경해서 사용할 수 있다.

안테나 설계자 입장에서 도전과제는 물리학이다. FR1에 속하는 1GHz 신호는 파장이 약 30cm이다. FR2에 속하는 28GHz 신호는 파장이 1.07mm이다. 동일한 안테나는 이들 2개 신호에서 작동하지 않을 것이다. 따라서 FR1 및 FR2 대역에서 모두 작동하는 5G 장치는 최소 2개 세트의 안테나가 필요할 것이다. 이는 다수의 안테나 어레이를 수용할 수 있는 대형 장비와 기지국에서는 관리할 수 있는 수준이다. 그러나 소형 장비와 휴대전화에서는 설계상 중요한 이슈이다. 가령, Qualcomm® 같은 제조사는 여러 5G 대역에서 작동할 수 있는 소형 RF 모듈을 출시하기 시작했다.

장치 밀도, 데이터 처리량, 대규모 MIMO
5G 네트워크의 사양에서 해결해야 할 사항은, 기존보다 훨씬 높은 밀도에서, 훨씬 많은 데이터 전송 속도로 동시에 작동하는 장치들을 지원해야 한다는 점이다. 다시 말해 현재 4G LTE 네트워크에서 이미 사용 중인 대규모 다중 입/출력(MIMO) 안테나 기술을 더 높은 셀 밀도에서 더 많이 사용해야 한다. MIMO는 다수의 송신 및 수신 안테나들로 층을 구성하는 기술이다(현재 LTE 네트워크에서는 종종 8 x 8층으로 안테나가 구성된다). MIMO는 공간 다중화 기법을 이용해서 신호를 인코딩 된 스트림으로 쪼개고, 이렇게 처리된 신호는 층 내 상이한 안테나들로 동시에 전송된다. 송신 장치 및 수신 장치 모두 다중 안테나를 갖추고 신호를 처리하므로 다중화 된 신호들을 인코딩 및 디코딩할 수 있다. 덕분에 가능한 통신 기능은 아래와 같다.
* 다수 사용자 및 장치들과 동시 통신
* 더 높은 데이터 처리량을 기반으로 통신

 MIMO에는 여러 가지 모형이 있다. 5G의 주요 변종은 대규모 MIMO(mMIMO)로, 기존 MIMO보다 훨씬 많은 안테나 부품들이 결합된 설계 방식이다. 저주파수 안테나는 크기가 더 크기 때문에 합리적인 크기로 설계되는 저주파수 MIMO 어레이에 부합하는 안테나 수가 실질적으로 제한된다. 반면 밀리미터 파형은 훨씬 크기가 작은 안테나에서 작동하기 떄문에 소형 패키지에 mMIMO 어레이를 구축할 수 있다. 일부 제조사는 부품을 최대 128개까지 실을 수 있는 mMIMO 안테나를 생산한다. 데이터 스트림 수를 증가시킴으로써 mMIMO는 더 많은 스펙트럼을 요구하지 않으면서도 신호 능력을 향상시키고, 이는 다시 데이터 전송 속도와 링크 신뢰도를 향상시킨다.

빔포밍, 방향성, 사용자 장비 추적
빔포밍은 신호 송신 방법의 일종으로, 특정 수신 안테나를 목표로 설정하고 잘 정의된 안테나 패턴을 만든다. 이는 동일한 간격으로 배치된 안테나 층에 있는 상이한 안테나 부품들을 통해 위상과 진폭 전송을 조정함으로써 가능하다. 빔포밍으로 신호 간섭을 줄일 수 있고, 빔 에너지를 집중시켜 신호 도달 범위가 증가한다. 중주파수대를 이용하는 초기의 5G 네트워크는 현재 LTE에서 사용되는 것과 유사한 빔포밍이 실현될 수 있도록 4 x 4 또는 8 x 8 MIMO 안테나를 채용할 것이다. 고주파수(밀리미터 파형) 5G 네트워크는 더욱 큰 mMIMO 안테나를 이용하는 적응형 어레이의 장점을 취할 것으로 보이며, 더욱 많은 수의 안테나 부품이 사용되고 더욱 촘촘한 빔포밍과 실시간 조종이 가능할 것이다.

 5G 빔포밍은 송신장치가 결정하는 수신장치에 대한 최적의 경로에 달려 있다. 송신장치는 송신장치와 수신장치 간 전달되는 사운딩 참조신호(SRS)를 분석, 평가해서 채널 상태를 수립하는 방식으로 이를 수행한다. 채널 상태 정보(CSI)를 토대로 송신장치는 결정된 무선 패턴을 최적의 방향으로 최적으로 수신될 수 있도록 최고의 스케줄 동안 전송하는 빔포밍 알고리즘을 적용한다. 빔포밍은 수신장치로 향하는 최적의 경로라면 건물로부터 송신 신호를 튕겨낼 것이다. 많은 장치들이 동일한 mMIMO 채널을 사용하는 환경에서 알고리즘은 패킷 충돌을 막기 위해 데이터 패킷 시간을 측정할 것이고, 그 결과 신호 간섭은 최소화된다.
전파 방해와 신호 간섭을 막기 위해 송수신장치는 지속적으로 수신 장치를 추적하고 최적의 데이터 전달 경로를 재 측정한다. 그 결과 실시간으로 전송 방식을 조정할 수 있어서 (자동차 또는 휴대전화 등) 5G 장치가 이동하거나 사물이 최적의 신호 전달 경로를 막는 경우에도 데이터가 일관되고 간섭 받지 않고 연결되도록 성능을 보장한다. 빔포밍은 계산 집중적 기술로, 견고한 신호 처리 성능을 갖춘 능동 MIMO 안테나가 필요하다.

다운링크와 업링크 규격
5G 사양은 주어진 사용 사례에서 업링크의 데이터 전송 속도의 2배인 다운링크의 데이터 전송 속도를 최대화하도록 촉진한다. 현재 2.6GHz 미만의 채용 위상에서 5G 네트워크는 최소 4 x 4 다운링크 MIMO를 요구하며 최소 2 x 2 업링크 MIMO를 권장한다.

상이한 사용 사례에 필요한 안테나 설계
5G 네트워크를 채용하려면 실내외 사용 여부, 소형 셀 및 광범위한 신호 도달 범위, 많은 종류의 단자 장비에 사용할 수 있는 많은 안테나 패키지가 필요할 것이다. 일반적인 채용 사례를 토대로 5G 안테나 설계 시 고려사항을 정리하면 아래와 같다.

기지국
오늘날 휴대전화 송신탑은 대부분 매우 혼잡하다. 저주파수와 고주파수가 집적된 소형 5G 안테나를 구축하는 것이 가장 비용 효과적인 솔루션이다. 게다가 스몰 셀의 도달 범위를 보장하기 위해 가로등과 건물 구석에 안테나를 설치하려면 소형 회로를 설계해야 할 것이다. 여러 전기통신 사업자들은 주파수대 및 대기시간 문제들을 해결하기 위해 4G 셀을 채용하기 시작했다. 초기에 5G 네트워크를 채용하려면 5G 안테나를 기존 4G LTE 안테나 옆에 위치하거나, 4G LTE 및 저주파수 5G 안테나로 모두 사용될 수 있는 안테나 장치 1대로 교체해야 할 것이다.

결국 목적에 맞는 주파수대가 사용될 것이다. 가령, 700MHz대의 대형 및 소형 셀의 경우, 야외에서 신호가 도달하려면 일부는 3~5GHz대에서 작동할 것이다. 고대역 실내외 애플리케이션은 분산된 안테나 시스템을 사용하는 마이크로 셀 아키텍처의 장점을 누릴 가능성이 높다. 이렇게 고주파수 5G 네트워크가 구현되면, 많은 안테나 요소가 결합된 mMIMO 어레이는 네트워크 정체를 감소시키고 기지국 성능을 향상시킬 것이다.

사용자 및 단자 장비
상이한 5G 애플리케이션에서는 데이터, 통신 규격, 작동 주파수, 장비 설계가 안테나 설계를 결정할 것이다. 5G 네트워크로 연결되는 센서와 제어 장비는 특히 제조, 인프라 모니터링 및 제어, 농업, 고정식 무선 인터넷 접속 같은 분야에서 기존 케이블을 이용한 연결 방식을 대체하고 있다. 낮은 데이터 전송 속도 및 낮은 지연 시간에 최적화된 센서와 컨트롤러는 특정 주파수대에서 작동할 필요가 있을 것이다. 고정식 무선 인터넷 접속의 경우, 제어 영역 신호에 대해서 6GHz 이하 주파수대를 사용하고 최종 사용자 장비에 대해 높은 처리량을 전달하는 밀리미터 파장이 결합될 가능성이 높다. 자율주행 자동차 등 다른 애플리케이션에서는 차량사물통신(V2X)처럼 낮은 지연시간 제어 기능과 높은 주파수대 사양이 포함되는 복합한 사양이 필요할 것이다. 자동차는 안테나 어레이를 자동차 차체 자체에 내장 설치할 수 있는 유연성을 갖췄다.

휴대전화
휴대전화는 이미 안테나들로 가득하다. 따라서 5G 주파수대 전체를 지원하는 안테나를 추가하면 문제가 될 것이다. 휴대전화는 공간에도 제약이 있다. 그러나 휴대전화에도 고성능 기능을 구현하기 위한 MIMO 안테나 및 휴대전화 가장자리에 위치해 빔포밍을 지원하는 안테나가 필요할 것이다. 특히 사용자의 손처럼 밀리미터파(mmWaves)를 막는 사물로부터 신호를 보정할 필요가 있다.

5G 안테나 설계상 난관
5G 안테나는 5G 통신이 작동하는 데 중요한 역할을 한다. 그러나 공학적으로 극복해야 할 난관들이 있다. 안테나 설계자들은 일반적으로 주어진 가정 하에서 신호 필드를 투사할 수 있는 안테나 시뮬레이션 소프트웨어로 시작한다. 그러나 이는 첫 번째 과정에 불과하다.

5G 안테나 설계에서 중요한 난관은 검사이다. 5G 안테나는 정적인 장비가 아니라 무지향성 장치이기 때문이다. 능동적이며, 특정 장치를 향해 신호를 전송한다. 검사실에 5G 안테나를 설치하고 정적인 방식으로 검사하면 잡음이 있는 RF 환경에서 수천 개 장치들이 동시에 통신할 때 안테나가 어떠한 성능을 발휘할지 알 수 없다. 게다가 대부분의 안테나 설계자들은 mMIMO 어레이를 사용하는 장치들의 성능을 검사 또는 측정하는 가장 효과적인 방법이 어떤 것인지 쉽게 말하지 못한다. 검사 방법에는 시나리오를 기반으로 자동화된 검사 방식이 포함될 것이다.

5G 안테나 설계는 여전히 진행 중인 과정의 일부에 불과하다. 5G 네트워크를 채용하는 과정은 겨우 시작 단계에 진입했을 뿐이고, 저주파수 5G가 4G LTE와 협업하는 과정도 포함될 것이다. 이는 더욱 복잡한 안테나 설계를 요구하는 미래의 통신 방법에 대한 시험대이다.

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leekh@seminet.co.kr
(끝)
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