5G - 마이크로파 전망
  • 2016-05-03
  • 김영학 기자, yhk@elec4.co.kr
  • 글|토머스 캐머론(Thomas Cameron) 최고기술책임자(CTO), 통신 사업 부문 아나로그디바이스



무선 업계의 RF 엔지니어들에게 무척이나 설레는 시간이 왔다.5G는 이제 막 시작됐고 2020년까지 5G 무선 네트워크 상용화를 실현하기까지 해야 할 일은 많다.

5G의 부상은 RF 엔지니어들을 무척이나 설레게 한다. 차세대 무선 통신 시스템 5G로의 여정이 본격화되면서 공학 커뮤니티에 수많은 도전과 기회를 제공하고 있다. 5G는 지금껏 무선 생태계의 여러 구성원이 발표해온 다양한 고차원적 목표를 달성하는 데 기반이 됐던 모바일 기술의 진화와 혁명을 대표한다.

보편적으로 5G는 무선기기의 완전히 새로운 사용법, 유스 케이스(use case) 및 수직 시장을 가져다 줄 차세대 휴대전화 기술로 인식되고 있다. 5G가 일반적으로 HD 및 UltraHD 동영상 스트리밍 같은 초광대역 서비스를 제공하기 위한 기술로 비춰지고 있지만, 5G 기술은 이를 넘어 휴대전화(Cellular)를 새로운 기계의 영역으로 진입시킬 것이다. 자동운전 자동차(autonomous vehicle)에 기여하는 것을 필두로 수백 개의 산업용 센서와 다양한 소비자용 웨어러블 기기를 연결해 몇몇의 새로운 애플리케이션을 만들어낼 것이다.

 

5G의 진화 경로는 기존 4G 휴대전화 대역의 점진적 개선과 3 GHz에서 6 GHz 범위에 등장한 대역에 이어진 주파수 확장으로 구성된다. 대규모 MIMO는 업계의 모멘텀을 가지고 쓰루풋, 지연 시간 및 셀 효율 개선을 목표로 설계된 새로운 파형을 채택한 LTE 기반의 첫 시스템으로부터 진화해 나갈 것이다. 
스펙트럼은 휴대전화 업계에서 기업의 사활을 책임질 생명줄로 여겨진다.

이렇듯 기존 휴대전화 대역에서 사용되던 6 GHz 미만의 스펙트럼은 향후 몇 년간 폭발적으로 성장할 수요를 감당할 수 없다. 이에 6 GHz를 초과하는 대역의 주파수 할당에서 무선 접근 배치의 실행 가능성을 점검하는 연구가 현재 진행 중이다. 전 세계적으로 6 GHz 미만에서 사용 가능한 스펙트럼을 모두 모으면 수백 메가헤르츠(MHz) 정도이고, 20 GHz를 넘는 포텐셜 스펙트럼의 양은 수십 기가헤르츠(GHz)다. 이 스펙트럼을 아우르는 것은 5G의 비전인 ‘모두가 진정으로 연결된 세상’을 만들기 위한 필수 요건으로 생각된다.

결과적으로, 5G의 일부 세그먼트는 훨씬 높은 주파수(아마도 최대 밀리미터파)에서 작동할 가능성이 있고, 구 버전인 LTE로 호환될 수 없는 새로운 공중 인터페이스(air interface)를 채택하게 될 가능성이 있다. 업계의 주요 관계자들 사이에서 논의되고 있는 주파수 대역으로는 10 GHz, 28 GHz, 32 GHz, 43 GHz, 46 GHz~50 GHz, 56 GHz~76 GHz, 81 GHz~86 GHz와 같은 더 높은 주파수 대역이 포함된다. 그러나 이 대역들은 아직 제안 단계로 무선 시스템 정의(radio systems definition) 및 표준 심의(standard deliberations)에 앞서 채널 모델링 단계에서 선행돼야 할 많은 과제들이 남아 있다. ITU는 최근 2020년 정도에 IMT-2020 규격을 구체화하는 초판을 발행하는 것을 목표로 하는 5G 표준화 계획을 공개했다.

5G가 아직 초기 단계인 점을 감안할 때, 최초의 상용 시스템이 배치되기 전까지 채널 모델링, 무선 아키텍처 정의(radio architecture definition), 그리고 마지막으로 칩셋 개발에 이르기까지 많은 작업들을 마무리해야 한다. 그러나 특정 트렌드 및 요건은 이미 합의됐기에 남은 문제들을 해결하면 최종 5G 시스템에 다다를 수 있을 것이다.

5G 접근 시스템

이제 마이크로파 및 밀리미터파 주파수에서의 5G 접근 시스템에 대해 생각해보자. 마이크로파 주파수에서 무선 접근(radio access) 구현 시 주요 장애물 중 하나는 불리한 전파 특성(propagation characteristics)을 극복해야 한다는 것이다. 이 주파수 영역에서 무선 전파(radio propagation)는 대기 감쇠(atmospheric attenuation), 비, 장애물(건물, 사람, 나뭇잎), 반사의 영향을 크게 받는다.

마이크로파의 P2P(point-to-point) 연결은 수년 간 사용됐지만, 이들은 보통 송수신이 직결된 LOS(line-of-sight) 시스템이다. 이들 시스템이 고정된다(stationary)는 사실로 인해 해당 링크의 관리가 가능해졌고, 최근 몇 년 간 고차의 변조 방식을 사용해 아주 높은 쓰루풋을 지원하는 시스템이 개발됐다. 이 기술은 계속 발전하고 있으며 마이크로파 링크 기술은 5G 접근에 사용될 것이다.

초기 사이클에서 접근 시스템의 전파 문제를 극복하기 위해 적응형 빔 형성(adaptive beamforming)이 필요할 것이라는 점은 인정되고 있다. P2P 시스템과 달리 빔 형성은 사용자에게 유상 신호(payload)를 전달하기 위해 사용자 및 환경에 적응하는 것을 필요로 한다. 업계에서는 대체로 하이브리드 MIMO 시스템이 마이크로파와 낮은 밀리미터파 대역에서 사용되는 반면, 대역폭이 넒은 V대역 및 E대역에서의 시스템은 요구되는 쓰루풋 목표에 도달하기 위해 빔 형성만 사용 가능할 것이라는 데 동의하고 있다.

 

그림 1은 하이브리드 빔 형성 송신기의 고차원 블록 다이어그램을 나타낸다. 수신기는 이와 반대로 그려진다고 볼 수 있다. MIMO 코딩은 보통 디지털 무선 처리와 함께 디지털 영역에서 수행된다. 안테나 시스템에 공급되는 다양한 데이터 스트림으로부터 디지털 영역에서 처리되는 다수의 MIMO 경로가 있을 수 있다. 각 데이터 스트림에서 DAC는 선택된 아키텍처에 따라 기저대역이나 IF 주파수에서 그 신호를 아날로그로 변환한다. 이 신호는 더 높은 주파수로 변환되고 개별 안테나에 공급하기 위해 RF 경로 구성요소로 분할된다. 각각의 RF 경로에서 신호는 안테나 밖에서 빔을 형성하는 이득 및 위상을 설정할 수 있게 처리된다.

블록 다이어그램이 간결한 데 비해 시스템이 마주하는 도전과제와 서로 대립되는 요소 가운데 균형을 잡는 일은 복잡하다. 그 주제를 다루는 이 짧은 글에서는 몇 가지 이슈만 다루겠지만, 지금은 아키텍처 및 무선의 문제점에 초점을 맞춰보자. 이 시스템을 실현하기 위해서는 시작 단계부터 전력, 크기, 비용을 고려해 설계하는 것이 매우 중요하다.

이러한 무선(radio)은 현재 아나로그디바이스와 같은 기업에서 개발한 디스크리트(주로 GaAs) 장치를 사용한 5G 시스템의 프로토타입 제작에 사용될 수 있고, 또 실제로 사용되고 있다. 반면, 마이크로파 공간에서도 셀 방식 무선(cellular radios)에서 구현된 것과 같이 마이크로파 공간에서도 감당할 수 있는 동일하게 높은 수준의 통합을 구현하는 것이 필요하다. 높은 수준의 통합 및 높은 성능은 업계가 해결해야 할 어려운 문제다.

그러나 단순히 통합만으로는 업계가 마주한 이러한 문제를 해결할 수 없다. 스마트 통합이 요구된다. 통합을 생각하기에 앞서 아키텍처 및 통합의 이점을 활용하기 위한 분할을 먼저 고려해야 한다. 이 경우 회로 레이아웃 및 기판(substrate)이 밀접하게 연관돼 있기 때문에 기계 및 온도 설계까지도 고려해야 한다.

통합의 문제

우선, 통합에 도움이 되는 아키텍처가 정의돼야 한다. 휴대전화 기지국에 고도로 통합된 트랜시버 IC를 적용한 예를 생각해보면 많은 경우 신호 경로의 필터링을 제거하거나 최소화하는 데 제로 IF(ZIF) 아키텍처를 사용한다. RF 전력은 생성에 비용이 많이 들기 때문에 특히 마이크로파 주파수에서는 RF 필터의 손실을 최소화시켜야만 한다. ZIF가 필터 문제를 어느 정도 해결해주는 반면, 당연히 그에 대한 반대급부로 LO 억제(LO suppression)가 생긴다.

그러나 물리적 구조에서 발생하는 이 문제를 신호 처리 및 알고리즘에서 해결하도록 넘길 수 있다. 여기에서 우리는 수동 마이크로파 구조는 이와 동일한 스케일링 역학을 따르지 않는다는 무어의 법칙을 활용할 수 있다. 목표를 달성하기 위해서는 아날로그 및 디지털을 동시에 최적화하는 능력을 이용하는 것이 필요하다. 마이크로파 영역에 도움이 될 수 있는 휴대전화 주파수에서 사용돼온 다양한 알고리즘과 회로 기법이 있다.


반도체 기술 요건

다음은 반도체 기술 요건을 고려해야 한다. 위에서 말한 것처럼 최첨단 마이크로파 시스템은 보통 GaAs 부품으로 구현된다. GaAs는 수년 간 마이크로파 업계에서 주로 사용되던 부품이었지만 SiGe 공정이 고주파 동작의 장벽을 극복하면서 여러 가지 신호 경로 기능면에서 GaAs와 경쟁하고 있다. 고성능 마이크로파 SiGe BiCMOS 공정은 상당한 신호 체인 및 보조 제어 기능을 포괄하는 빔 형성 시스템에 필요한 높은 수준의 통합을 가능하게 한다.

GaAs PA는 각 안테나에 요구되는 출력 전력에 따라 필요할 수도 있다. 그러나 GaAs PA 조차 선형 영역에서 보통 편향되기 때문에 마이크로파 주파수에서는 효율적이지 않다. 마이크로파 PA의 선형화는 그 어느 때보다 5G 시대에 조사가 필요한 영역이다.

그렇다면 CMOS는 어떨까? 이것 역시 경쟁력이 있을까? CMOS가 높은 음량 스케일링에 적절하며, 이는 60 GHz에서의 WiGig 시스템에서 증명되고 있다는 문헌이 잘 정리돼 있다. 아직은 개발의 초기 단계라는 점과 유스 케이스의 불확실성을 고려하면 이 시점에서 CMOS가 5G 무선(radios)에 적합한 기술로 선택될 지, 또 선택된다면 그게 언제가 될 지를 말하기는 어렵다. 무선 규격과 마이크로파 CMOS가 적합한 미래 시스템 분야를 결정하기 위해 채널 모델링 및 유스 케이스에 대한 상당한 연구가 선행돼야 한다.

분할의 최적화

5G 시스템을 위한 최종 고려사항은 기계적 설계와 RFIC 분할(parti-tioning)의 상호의존성이다. 손실을 최소화하는 어려움을 감안할 때, IC는 분할의 최적화를 위해 안테나 및 기판과 함께 설계돼야 한다. 50 GHz 미만에서는 안테나가 기판의 일부가 되며 라우팅 및 일부 수동 구조가 기판에 내장될 수 있을 것이라고 기대된다.

현재 이렇게 통합된 구조 용도로 전망이 밝아 보이는 기판 집적 도파관(substrate integrated waveguide, SIW) 분야에 관한 주요 연구가 진행 중이다. 이러한 구조에서는 RF 회로의 상당 부분을 다층 라미네이트 중 한 면에 장착하고 전면에서 신호를 안테나로 전송하게 될 가능성이 있다. 그 RFIC는 이 라미네이트나 표면실장형 패키지에 다이 형태로 부착될 수 있다. 다른 애플리케이션에 적용되는 이러한 구조에 관해서는 업계 관련 문헌에 좋은 예들이 수록돼 있다. 

50 GHz 이상에서는 안테나 소자 및 간격이 충분히 작아지므로 패키지 내부나 위에 안테나 구조를 통합하는 것이 가능해진다. 다시 말하지만 이는 5G 시스템이 발전할 수 있도록 현재 연구가 진행 중인 분야다.

둘 중 어느 쪽이든, RFIC와 기계 구조는 라우팅에서의 대칭을 확보하고 손실을 최소화하기 위해 함께 설계돼야 한다. 이러한 작업 중 어떤 것도 설계에 필요한 광범위한 시뮬레이션을 지원하는 강력한 3D 모델링 툴이 없이는 절대 이루어질 수 없다.

RF 혁신

이 글은 5G가 마이크로파 업계에 가져올 도전 과제에 대한 간략한 전망에 불과하지만, 향후 몇 년간 4차 RF 혁신을 가져올 기회는 무한하다. 앞서 언급한 것과 마찬가지로 엄격한 시스템 공학적 접근은 신호 체인 전체에 걸친 최고 기술의 사용을 통한 최적의 솔루션 개발로 이어질 것이다. 이를 위해 공정 및 소재 개발에서 설계 기법과 모델링, 고주파수 테스트 및 제작에 이르기까지 업계가 해야 할 일들이 아직 많이 남아있다. 5G 목표를 달성하려면 모든 분야에 각각의 역할이 있다.

아나로그디바이스는 독보적인 마이크로파 역량을 바탕으로 5G 마이크로파 구현을 위한 노력을 상당히 기울이고 있다. ADI의 폭넓은 기술 포트폴리오와 지속적인 RF 기술 발전에 무선 시스템 공학의 풍부한 역사까지 더해지면서, ADI는 부상하는 5G 시스템에 사용되는 마이크로파 및 밀리미터파 주파수에서 고객들에게 제공할 새로운 솔루션 개발을 선도하는 기업으로서 자리매김하게 됐다.

이 글의 서두에서 이야기한 것처럼 무선 업계 RF 엔지니어에게 무척이나 설레는 시간이 왔다. 5G는 이제 막 시작되었고 2020년까지 5G 무선 네트워크 상용화를 실현하기까지 해야 할 일은 많다. 

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