First Steps in 5G- New Radio 디바이스의 다양한 설계 과제 해결②

  • 2018-11-06
  • 글 | 키사이트테크놀로지스(www.keysight.com)



Overcoming New Radio Device Design Challenges Series ②


파트 2: 밀리미터웨이브 스펙트럼

5G의 상용화를 위해서는 혁신이 필요합니다.
향상된 eMBB(모바일 대역폭) 이용 사례는 다운링크(DL)에서 20Gbps, 업링크(UL)에서 10Gbps에 달하는 빠른 피크 데이터 속도를 목표로 삼고, 4K 또는 8K UHD 영화의 고속 스트리밍 같은 새로운 애플리케이션을 지원하고자 합니다. 데이터 속도는 다양한 방식을 통해 향상시킬 수 있으나, 모바일 광대역 데이터 속도의 증가를 가능하게 할 핵심 요소는 스펙트럼입니다.

5G NR(New Radio)는 새로운 주파수를 6GHz 미만으로 지정하여 더 많은 데이터를 전송할 수 있는 인접 대역폭이 있는 밀리미터웨이브(Millimeter-Wave) 주파수로 확장합니다.

소비자의 입장에서 이러한 대역폭 증가는 더욱 뛰어난 서비스를 의미하지만, mmWave 주파수에서 신호 품질 요구 사항을 충족하기 위해서는 새로운 과제를 극복해야 합니다.

Sub-6 GHz에서 장애는 문제가 되지 않았지만, 이제는 더 문제가 되기 때문에 정확하게 5G 구성요소와 디바이스를 평가하기 위해서는 정밀함이 요구되는 테스트 방법을 마련하기 위해 더욱 많은 점을 고려해야 합니다.

5G 스펙트럼 살펴보기

전 세계 소비자에게 전체 기능과 적용 범위를 제공하려면 지역 간 스펙트럼 동조화가 필요합니다. 5G NR은 주파수를 최대 52.6GHz로 확정하고 동작 밴드는 최대 10GHz의 새로운 스펙트럼으로 확장됩니다.

• FR1: 400MHz-6GHz는 주파수 대역에 1.5GHz의 새로운 스펙트럼을 추가합니다: 3.3-4.2GHz, 3.3-3.8GHz, 4.4-5GHz.

• FR2: 24.25-52.6GHz는 주파수 대역에 8.25GHz의 새로운 스펙트럼을 추가합니다: 26.5-29.5GHz, 24.25-27.5GHz, 37-40GHz.



Sub-6GHz의 일부 작동 대역과 핵심 지역에서 연구와 실험이 시작되었고, 더 높은 센티미터파 및 mmWave 주파수는 표 1처럼 초기 런칭 대상으로 부상하기 시작했습니다.

• 1GHz 미만에는 IoT 서비스 지원을 목표로 하는 600, 700, 800MHz의 다중 관심 대역이 있습니다.
• 1-6GHz는 적용 범위와 용량 확장을 위해 활용될 것입니다. 중국, 유럽, 한국, 일본은 다양한 5G 서비스에 사용될 수 있는 3.3-3.8GHz 범위를 주요 대상으로 삼고 있습니다. 4.4-4.9GHz 또한 중국과 일본에서 고려 중입니다.
• 6GHz 초과 범위는 초고 광대역 이용 사례가 필요할 경우를 지원하기 위해 사용될 것입니다. 일본과 미국의 최초 mmWave 목표는 28GHz와 39GHz입니다. 5G NR 릴리즈 15는 주파수 범위를 52.6GHz까지로 확정하는 반면, 현재 연구는 차후의 릴리즈가 64-71GHz 및 71-76GHz 주파수 범위에서 작동할 수 있도록 연구가 진행 중입니다.



LTE와 비슷하게 다중 구성요소 반송파는 집적되어 더 넓은 대역폭을 표 2에서 볼 수 있듯이 최대 주파수 범위 2(FR2)에서 800MHz의 대역폭까지 구현할 수 있습니다. 배치되는 스펙트럼의 양은 개별 국가가 결정합니다. 이는 5G NR 초기 릴리즈를 대상으로 하는 것이며, 주파수, 대역폭, 파형은 5G NR 릴리즈에 적합하게 진화될 것이며 새로운 이용 사례를 지원하게 됩니다.

Sub-6 GHz는 새로운 3.4-3.7GHz 및 4.4-4.9GHz 주파수 대역을 설계하는 과정에서 다양한 테스트 사례의 복잡성, 공존(coexistence) 문제, OTA를 통한 매시브 MIMO 설계 검증으로 인해 새로운 과제에 직면하게 될 것입니다.

그러나 Sub-6 GHz는 현재의 LTE-A 기능의 진화와 비슷한 형식이 될 것이므로, mmWave 설계 이행 과정에서 더욱 큰 과제에 직면할 것입니다. 운영자 예측을 기반으로 고정 무선 액세스가 2018년 후반 최초로 mmWave를 도입합니다(IHS Markit Report 5G Strategies & Opportunities, 2017). “오늘날, 고정 점대점 또는 점대다중점 무선 통신은 이미 IEEE 802.11ad/ay 60GHz Wi-Fi 애플리케이션에 실존하고 있습니다.”

초기 5G 고정(fixed) 무선 액세스를 이행할 때에는 유사한 MIMO 및 파형 구성을 사용할 것이며, 4G eNB를 앵커와 제어 영역으로 활용하여 비독립형 모드(NSA)에서 운영할 가능성이 높습니다.

가장 큰 차이점은 mmWave 이행이 모바일로 이전할 때 발생하게 됩니다. 디바이스가 주차장을 가로지를 때, 고속도로를 달릴 때, 고속 철도를 이용할 때 통신 링크를 형성하고 유지하는 것이 새로운 도전 과제가 될 것입니다.

체험판은 다양한 mmWave 모바일 사례의 실현 가능성을 알아보기 위해 진행 중에 있습니다.
채널 모드가 다양한 이용 사례 및 구성요소에 맞게 개발됨에 따라, 디바이스는 mmWave 주파수 대역에서 작동하는 데 필요한 성능을 확보해야 합니다.



mmWave 신호 품질 도전 과제


신호 품질에는 베이스 밴드 신호 처리, 변조, 필터링, 상향 변환을 비롯해 많은 요인들이 영향을 미칩니다.

mmWave 주파수에서는 더욱 넓은 주파수 대역이 존재할 것으로 기대되고 있으므로, 베이스 밴드 및 RF 설계는 더 높은 주파수 또는 더 넓은 대역폭에서 더욱 문제가 되는 일반적인 신호 장애에 의해 영향을 받을 수 있습니다. OFDM 시스템 특유의 내재적인 특성으로 인해 오버래핑 반송파 간의 장애가 방지됩니다.

그러나 IQ 장애, 위상 노이즈, 선형 압축(AM에서 AM) 및 비선형 압축(AM에서 PM), 주파수 에러 등의 장애는 변조된 신호에서 왜곡을 유발할 수 있습니다.

위상 노이즈는 mmWave OFDM 시스템에서 가장 해결하기 어려운 요소 중 하나입니다. 설계 시 너무 많은 위상 노이즈가 발생하면 각 반송파가 다른 부반송파와 간섭을 일으켜, 변조 성능에 장애가 발생할 수 있습니다.

그러한 문제는 해결하기 어려우며 설계의 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 디바이스는 넓은 대역폭에서 이러한 물리적 과제를 극복할 수 있도록 설계되어야 하며, mmWave 신호 및 테스트 솔루션은 새로운 문제를 일으키지 않고 신호 품질의 특성을 분석하고 적절하게 측정할 수 있도록 현재의 측정 디바이스보다 더욱 좋은 성능을 확보해야 합니다.

신호 품질 특성 분석

신호의 변조 특성을 평가하면 신호 품질 가운데 가장 유용한 지표 중 하나를 파악할 수 있습니다.

IQ 좌표계를 통해 왜곡 문제를 파악하고 해결하는 데 도움이 됩니다. 단일 변조 품질의 또 다른 핵심 지표는 EVM(신호 에러 벡터 강도) 측정으로, 이를 통해 파형 왜곡의 전체적인 지표를 파악할 수 있습니다.

5G NR은 다중 반송파 변호 방식인 CP-OFDM(주기적 전치 신호 OFDM)을 지정합니다. 광대역 신호에서의 회로의 위상, 진폭, 노이즈의 변형은 EVM 측정에 반영됩니다. EVM은 그림 1에서 볼 수 있듯이, IQ 측정 신호 및 IQ 참조(IQ 참조는 산출된 값) 등 2가지 벡터 간 차이점의 정규화된 비율을 가리킵니다.



이는 기본적으로 참조점에서 신호가 얼마나 멀리 있는지를 의미합니다. EVM은 일반적으로 dB 또는 백분율로 측정됩니다.

5G에서 밀도가 더욱 높은 변조 방식을 활용한다고 예상할 경우(초기 256QAM, 추후 1024QAM), 변조 밀도가 증가함에 따라 구성요소와 디바이스에 맞는 더욱 개선된 EVM 결과가 요구됩니다.



예를 들어, 표 3은 사용자 장비(UE)에 대한 3GPP EVM 요구 사항이 변조 밀도의 감소에 따라 어떻게 낮아지는지 설명하고 있습니다.
스펙트럼 측정치 또한 신호의 RF 성능을 검증하는데 필요합니다.

전송 제품에 대한 5G UE 스펙트럼 측정치에는 전송 전력, 사용 중인 대역폭(OBW) 및 인접 채널 전력비(ACPR), 스펙트럼 방사 마스크(SEM), 스퓨리어스 방출 같은 측정치가 포함됩니다. 테스트 솔루션은 좌표계 다이어그램을 평가하고 5G 구성요소 및 디바이스에 필요한 EVM을 측정할 정도로 충분한 성능을 확보해야 합니다.

스펙트럼을 측정하고 상위 주파수로 확장할 수 있는 유연성 또한 5G 표준이 진화함에 따라 그 중요성이 증대될 것입니다.

측정 솔루션의 정의

mmWave 주파수에서의 고 대역폭 장치의 고품질 측정 성능을 확보하려면 현재 측정 대상인 제품 및 서비스보다 더 높은 EVM 성능을 가진 테스트 솔루션이 필요합니다.

일반적인 사양은 다음과 같습니다.

• 구성요소 테스트: 전체적으로 시스템보다 10dB 높은 성능
• 시스템 테스트: 무선 표준의 소스보다 3dB 높은 성능

송신기, 수신기, 트랜시버 및 기타 무선 디바이스의 구성요소를 측정할 때, 테스트 솔루션은 일반적으로 자극 및 DUT, DUT 및 분석기, 자극 및 DUT와 분석기 등 측정 대상인 DUT에 따라 구성이 달라집니다. 베이스 밴드와 Sub-6 GHz에서의 측정은 일반적으로 케이블을 사용하여 진행됩니다.

그러나 센티미터웨이브 및 밀리미터웨이브 주파수에서의 측정은, 진행된 테스트에 맞는 커넥터 테스트 점이 생성되지 않은 안테나 및 RFIC에서, 높은 수준의 통합이 예상됨에 따라 OTA 측정이 필요할 수도 있습니다.

그림 2는 5G 파형 생성 및 분석 테스트 베드, 참조 솔루션 테스트 구성을 나타냅니다.



이는 mmWave 주파수에서 문제가 될 수 있는 장애와 관련해 5G 구성요소와 디바이스를 평가하는 데 필요한 성능을 보유하고 있습니다.
벡터 신호 발생기는 디지털 변조된 5G NR 신호를 DUT로 생성하는 데 사용됩니다. 벡터 신호 분석기는 DUT에서 비롯된 RF 신호 특성을 캡쳐하고 분석을 위해 변조된 신호를 디지털화하는 데 사용됩니다.

이러한 테스트 솔루션은 유연한 구성을 제공하여 주파수, 대역폭, 충실도 등 5G 부품 및 디바이스 테스트에 필요한 다양한 성능을 제공합니다. 테스트 셋업이 측정 시스템 에러의 또 다른 원인이 될 수 있습니다. 보다 더 넓은 대역폭을 가진 고 주파수에서 테스트를 구성하려고 할 때에는 테스트 고정물, 케이블, 어댑터, 커플러, 필터, 예비 증폭기, 분리기 같은 항목과 테스트 중인 디바이스(DUT)의 전환, 특정 장비가 Sub-6 GHz 측정 시스템에서보다 훨씬 더 큰 영향력을 미치게 됩니다.

최대한 정확도를 확보하려면, 측정 시스템을 DUT가 연결되어 있는 동일한 장소에서 참조 영역에 맞게 조정해야 합니다. 테스트 구성에 어떠한 영향이 발생하는지 관찰하지 않고 DUT의 특성을 보기 위해서입니다. 이러한 측정 시스템은 DUT 설계 목표보다 더욱 뛰어난 성능을
발휘해야 합니다. DUT 영역에서 측정을 할 수 있다는 것은 측정 정확도와 반복 가능성이 더욱 높아진다는 의미입니다.

적절한 시스템 수준의 교정은 주파수 및 위상의 테스트 고정물로 인한 불확실성을 제거해주며, 매우 넓은 대역폭 신호에 큰 의미를 갖습니다.

5G 테스트 베드 솔루션에는 신호 최적화 소프트웨어가 포함되어 있으며, 이러한 소프트웨어는 그림 2과 같이 테스트 장비를 교정 영역에서 DUT 참조 영역으로 이동시킵니다.

5G NR mmWave 측정

올바른 테스트 장비, 커넥터, 어댑터 및 시스템 수준을 선택하면, 더욱 뛰어난 성능 측정이 가능하므로 5G 구성요소 또는 디바이스의 진짜 성능을 평가할 수 있습니다.



그림 3은 키사이트의 5G 파형 생성 및 분석 테스트베드 솔루션을 사용해 5G 안테나를 교정하여 측정하였습니다. 해당 솔루션은 최대 2GHz의 변조 대역폭과 정밀도를 갖는 RF에서 mmWave 주파수로 변환되는 5G NR 디바이스 특성을 분석할 수 있습니다.

5G NR 준수 소프트웨어를 사용하면 파형을 더욱 쉽게 생성하고, 5G 수비학, 업링크, 다운링크를 통해 더욱 쉽게 분석할 수 있으며, 5G NR 및 LET 통합과 공존을 테스트하는 데 이러한 파형을 사용할 수 있습니다.

결론

mmWave 주파수 대역에서의 5G 운영은 이미 확정되었습니다.

5G NR 릴리즈 15는 mmWave이 52.6GHz 및 800MHz까지의 집적 채널 대역폭까지 작동하도록 확정합니다. mmWave 주파수에서, 신호는 장애에 더욱 취약하기 때문에, 테스트 솔루션, 케이블, 커넥터를 선택할 때 더욱 심사숙고해야 하며, 정확한 측정치를 얻기 위해서는 시스템 수준의 교정이 이뤄져야 합니다.

키사이트의 5G 파형 생성 및 분석 테스트 베드는 5G NR에 대비되어 있으며 RF에서 mmWave 주파수로 전환하는 5G NR 디바이스의 신호 품질의 정밀한 특성 분석이 가능합니다.

이 솔루션은 필요한 성능과 대역폭을 제공할 뿐만 아니라 5G 표준의 진화 속도에 따라 확장할 수 있는 유연성도 제공합니다.

5G NR 솔루션에 대한 더욱 자세한 정보를 확인하시거나 5G NR 디바이스 설계를 위한 멀티 안테나 MIMO 및 빔 조향의 특성 분석과 검증에 관한 도전 과제를 다룰 ‘5G의 첫 번째 단계’ 백서의 다음 편을 보시려면 해당 사이트(www.keysight.com/find/5GNR)을 방문하시기 바랍니다. 
 
커넥터, 케이블, 어댑터
교정, 케이블의 적절한 사용, 커넥터를 비롯해, 어댑터는 테스트 구성의 정확도를 개선합니다.

재료, 구조, 지오메트리는 특정 운영 주파수 범위에 맞게 특별히 설계된 테스트에서 사용됩니다.

“품질이 나쁘거나 부적절한 케이블 및 액세서리 사용으로 많은 비용이 드는 테스트 시스템의 성능을 떨어뜨리지 마십시오.”

대부분의 mmWave 스펙트럼 분석기는 낮은 주파수에서의 작업까지 이뤄지는 환경에서 사용되기 때문에, 이처럼 낮은 주파수에 맞게 설계된 커넥터를 사용하기 쉽습니다. 그러나 파장이 짧을수록 더욱 작은 크기의 케이블과 커넥터가 필요합니다. mmWave 측정을 하려면 일반적인 SMA 및 정밀 3.5mm 액세서리는 사용하지 말아야 한다는 의미입니다.

혼합된 주파수 환경에 맞게 2.4mm 또는 2.92mm 액세서리를 대상으로 표준화를 고려하시기 바랍니다. SMA 및 3.5mm(주로 30GHz 초과)보다 삽입 손실은 더 많이 발생하지만, 2.4mm 또는 2.92mm 액세서리는 비교적 낮은 주파수에 모두 적용 가능하며 우월한 반복성을 제공하기 때문입니다.
 

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