진정한 5G, 밀리미터파 대역 지원 및 SA 동작해야
5G 초고속 특성, 밀리미터파 대역 활용에 달려
빔포밍, 주변 사용자 간섭 줄이고 데이터 전송해


5G는 LTE처럼 10년 이상 발전하며 사용될 무선 통신 규격이다.

5G의 장점은 3가지다. 먼저 초고속이다. 5G NR의 속도는 4G LTE 대비 20배 빠르다. 최대 전송속도는 20Gbps이며 통상적으로는 10Gbps다. 이어서 초저지연이다. 5G의 전송지연(1ms)은 LTE(10ms)보다 10배 짧다. 마지막으로 초연결이다. 5G의 최대 기기 연결 수는 1km² 당 100만 개로 10만 개인 LTE보다 10배 많은 기기를 수용할 수 있다.

그러나 5G가 위와 같은 장점을 실현하려면 여러 문제를 해결해야 한다.

5G의 동작 방식은 2가지가 있다. 5G로만 동작하는 ‘단독모드(SA)’와 LTE와 함께 동작하는 ‘비단독모드(NSA)’다. 주파수 대역도 2가지다. ‘6Ghz 이하(Sub-6Ghz)’ 대역과 ‘밀리미터파(mmWave)’ 대역이다. 현재 상용화된 5G는 6Ghz 이하 대역을 사용하는 5G NSA다. 따라서 진정한 5G를 실현하려면 밀리미터파 대역도 사용하면서 SA로 동작할 수 있어야 한다.

특히 5G의 초고속 특성은 밀리미터파 대역을 사용해야 이뤄질 수 있다. 밀리미터파는 파장이 짧아 안테나 및 기기의 소형화, 경량화가 가능하고 대역폭을 넓게 사용할 수 있어 데이터를 대량으로 전송할 수 있다. 하지만 그만큼 장애물을 피하는 회절성이 낮아 빔포밍과 같은 기술로 보완해야 한다.

5G의 잠재력을 최대한 실현하고 단점을 보완하기 위해 주요국은 밀리미터파 대역 인프라를 마련하고 관련 기술을 확보하는 데 박차를 가하고 있다.

미국 AT&T는 2020년 상반기까지 6Ghz 이하 대역과 밀리미터파 대역 기반의 5G 네트워크를 전미에 구축하는 것을 목표로 하고 있으며, 중국 차이나모바일은 2022년에 5G 밀리미터파 대역 서비스를 시작할 것이라 밝혔다. 국내의 경우, 2018년 6월에 5G 주파수 경매를 통해 이동통신 3사에 3.5Ghz 대역과 밀리미터파 대역인 28Ghz을 각각 할당했다.

6Ghz 이하 대역도 아직 충분치 않지만, 주요국의 5G 계획에는 밀리미터파 대역 인프라 구축이 포함된 것을 알 수 있다. 따라서 관련 기술력을 확보가 향후 기업 경쟁력에 많은 영향을 끼칠 것으로 보인다.

아나로그디바이스(ADI)에서 FAE로 근무하고 있는 한종필 차장에게 5G 밀리미터파 대역의 상용화가 왜 늦어지고 있는지, 또 밀리미터파 대역이 본격적으로 상용화되었을 때 관련 제품을 개발할 때 있어 어떤 역량이 요구되는지 물었다.


Q. 5G 밀리미터파 대역의 상용화는 왜 늦어지고 있습니까?
A. 고주파 대역 사용에 따른 높은 전파 손실과 블로킹에 대한 환경적 취약성이 모바일 셀 커버리지에 적합하지 않아 밀리미터파 운용성 달성이 쉽지 않아서입니다. 이런 5G NR에서의 제약 사항들을 보완하기 위해서 관련 안테나, RF 부품, 전원공급장치 및 빔포밍 기술 등이 연구되고 있습니다.


Q. 5G 밀리미터파 대역만의 잠재력은 무엇입니까?
A. 밀리미터파의 발전은 산업 및 소비자의 기대에 부합하는 5G NR 네트워크를 만드는 것입니다. 고주파 대역이고 광대역 주파수 자원을 활용할 수 있어서 커넥티드 및 자율주행차량, AR, VR, 커넥티드 의료 기기, 보안 및 환경 모니터링을 위한 스마트시티, IoT 센서 등과 같은 데이터 집약적 디바이스를 지원할 수 있는 5G 네트워크 구성이 가능해집니다.


밀리미터파 무선 통신 기술은 30~300GHz의 초고주파를 이용하여 1GHz 이상의 대역폭을 사용한다. 이를 통해 가용 대역이 풍부한 밀리미터파 및 밀리미터(mm) 단위의 짧은 파장을 제어하여 대량의 데이터를 실시간으로 전송하여 전송 용량을 증대시킬 수 있다.


Q. 5G를 보완하기 위한 빔포밍 기술이 이슈입니다. 빔포밍에 관해서 설명해주십시오.
A. 빔포밍은 빔포머(라우터)가 빔포미(클라이언트) 방향으로 무선 신호를 전송함에 따라 더 강력하고 빠르고 안정적인 무선통신이 가능하도록 하는 기술입니다. 다시 말해 특정 사용자에게 효율적인 데이터 전송 경로를 식별하는 트래픽 전송 기법으로 주변 사용자의 간섭을 줄일 수 있습니다.

상황과 기술에 따라 5G 네트워크에서 빔포밍을 구현하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 구조적으로는 아날로그, 디지털 빔포밍과 이를 조합한 하이브리드 빔포밍이 있습니다.


Q. 다운링크 빔포밍과 업링크 빔포밍에는 어떤 차이점이 있으며, 과제는 무엇입니까?
A. 다운링크 빔포밍은 안테나 요소로부터 전송된 RF 신호들 사이의 보강간섭을 사용합니다. 빔포밍 된 레이어마다 안테나 소자의 입력 신호의 위상을 적절하게 설정함으로써, 보강간섭을 통해 원하는 방향으로 신호를 전송할 수 있습니다. 이 위상 조정은 일련의 위상 시프터(Analog BF)를 통해 RU에 의해 수행되거나 베이스 밴드(Digital BF)에서 프리 코딩을 통해 수행될 수 있습니다.

업링크에서의 빔포밍 같은 경우는 업링크 쪽으로 빔을 전달하는 사용자 장비에서의 방향이 아니라 기지국에서 사용자 장비 방향에 대해 피크 이득을 생성하는 방식으로, 업링크 Rx 지향성 패터닝 적응에 관한 것입니다. 이것은 IRC(Interference rejection combining)와 같이 불필요한 사용자 장비 쪽에 빔 방향과 널(Null)을 생성하는 것을 포함합니다.


Q. 빔포밍끼리의 간섭을 피하려면 어떤 기술이 필요합니까?
A. 공간분할 다중접속 시스템에서는 같은 셀의 BS와 인접 셀의 BS에 의해 형성되는 인접한 빔에 의한 빔 간 간섭(IBI)이 발생합니다. 각 셀에서 사용자 장비를 향해 형성된 빔이 인접 셀의 사용자 장비, 특히 셀 경계의 사용자 장비에 대해 상당한 간섭을 일으킬 수 있습니다.

이를 극복하기 위해 기존 낮은 주파수를 사용하던 시스템에서는 다양한 프리코딩 기술이 다중 사용자의 채널 간섭을 줄이기 위해 사용되어왔으나, 많은 수의 안테나를 사용하는 밀리미터파 시스템은 트레이닝 및 피드백 오버헤드가 필요하므로 기지국에서 전체 채널 정보를 얻기가 어려워 이를 극복하기 위한 낮은 복잡도의 프리코딩 기법 등이 필요합니다.


Q. 밀리미터파 대역에서 통신하기 위해서는 데이터를 밀리미터파로 변환해야 하는데, 이때 사용되는 부품과 그 부품에 요구되는 사항은 무엇입니까?
A. 기본적으로 5G 지원을 위한 부품에서 요구되는 사양은 광대역, 저손실, 저전력, 고선형성을 기본으로 요구합니다. 어떤 구조를 채용하느냐에 따라 다소 차이는 있지만, 송신 측면에서는 디지털 신호를 광대역 RF 신호로 변환 가능한 Gsps DAC와 광대역 업 컨버터, 그리고 전력 AMP, 스위치, 필터 등이 필요합니다.

수신 측면에서는 간섭 신호를 제거하고, 저잡음 신호 증폭이 가능한 FEM 및 이미지 신호 제거를 염두에 둔 다운 컨버터, 그리고 높은 다이나믹 레인지를 가지는 Gsps ADC와 공통적으로 낮은 위상 잡음(Phase noise) 특성을 가지는 로컬 신호가 필요합니다.