5G 시대와 통신 기술의 미래

2019-06-04
5G 시대와 통신 기술의 미래
 

글: 토마스 카메론(Thomas Cameron) 박사 / 아나로그디바이스


아나로그디바이스(Analog Devices, Inc. 이하 ADI)의 무선 기술 이사인 토마스 카메론(Thomas Cameron) 박사로부터 ADI의 5세대 솔루션과 통신 기술 전망에 대해서 들어본다. 카메론 박사는 셀룰러 기지국, 마이크로파 무선, 케이블 시스템을 비롯해서 30년 넘게 통신 네트워크 기술 연구개발에 종사해 왔다.
 

5G 통신과 5G 통신의 미래에 대해서 말해달라

5G는 일정대로 진행되고 있다. 세계 각국에서 필드 테스트를 마쳤거나 진행 중이다. 최근 GSA(Global mobile Suppliers Association)가 발표한 5G 시험 동향 보고서에 따르면, 현재까지 전세계적으로 확인된 5G 시험 및 데모는 326건에 달하며 62개 국에서 134개 이동통신사업자들이 5G 시험 가동을 발표했다. 이러한 시험 가동은 주로 더 높은 용량을 제공할 수 있다는 점을 과시하기 위한 것이다. 5G는 새로운 활용 사례를 가능하게 하는 유연성과 새로운 기능들을 제공한다. 5G는 2030년 이후까지를 내다보고 무선 표준의 발판을 마련하고 있다.
 
앞으로는 동영상 공유가 우리 사회 전반에 걸쳐 일반화하면서, 더 많은 모바일 데이터들이 생성 및 소비될 것으로 예상된다. 기계의 시대에 진입함에 따라 미래에는 우리를 둘러싼 세상의 온갖 사물과 기계의 연결성이 높아질 것이다. 다방면에서 대대적인 디지털 전환이 일어나고 있다. 이것은 우리가 생활하고, 일하고, 이동하는 일상의 모든 방식들을 근본적으로 변화시킬 것이다. 현재는 스마트폰이 사람과 정보 사이의 인터페이스 역할을 하고 있지만, 미래에는 장비들이 사람의 개입 없이도 서로 통신하고 다양한 커넥티드 센서를 사용해서 주변 환경을 모니터링 할 것이다. 이러한 디지털 전환 시대에 핵심적인 역할을 하는 것은 모든 사람과 사물을 높은 신뢰 수준에서 지연 없이 즉각적으로 연결할 수 있는 뛰어난 모바일 네트워크이다.
 
우리 같은 엔지니어들에게 중요한 것이 대역폭이나 지연 시간 같은 구체적인 사양이긴 하지만, 5G에서 핵심이 되는 것 중 하나가 바로 유연성이다. 만약 우리가 5G의 기술 사양들이 어떻게 구성되는지를 꼼꼼하게 살핀다면, 이들을 활용함으로써 이전에는 결코 상상하지 못했던 새로운 다양한 활용 사례들을 정의할 수 있을 것이다.
 
5G는 다음 세 가지 활용 사례를 실현하는 데 중점을 두고 있다:
 ? 향상된 모바일 광대역(eMBB)
 ? 대규모의 기계류 연결성(mMTC)
 ? 신뢰도가 극히 높으면서 지연 시간이 낮은 통신(uRLLC)

이 중에서도 특히 산업용 5G가 주안점을 두고 있는 것은 eMBB인데, 이는 중간 대역과 상위 대역 스펙트럼에서 빔 포밍(beamforming) 기법을 사용해서 높은 네트워크 용량과 더 높은 쓰루풋을 달성할 수 있다. 또한 5G 네트워크 아키텍처의 낮은 지연 시간 특성을 활용해서 산업 자동화 같은 분야에서 새로운 활용 사례들을 구현할 수도 있다.
 

RF 기술은 5G 어떤 면에 가장 크게 기여하나?

eMBB는 높은 데이터 쓰루풋과 더 높은 네트워크 용량에 대한 수요를 주도한다. 셀룰러 기지국 용량은 세 가지 방법으로 높일 수 있다. 새로운 스펙트럼을 확보하거나, 기지국 밀도를 높이거나, 스펙트럼 효율을 높이는 것이다. 전 세계적으로 새로운 모바일용 스펙트럼을 마련하거나 스몰셀을 추가해서 네트워크 밀도를 높이는 방법은 계속 진행해 왔지만, 가용한 스펙트럼의 효율을 높이는 방법은 아직 향상의 여지가 많이 남아 있다.
최근 스펙트럼 효율을 크게 향상시킬 수 있는 기술로서 매시브 MIMO가 부상하고 있다. 매시브 MIMO는 다량의 능동 안테나 소자를 코히어런트하게 작동해서, 공간적으로 의도하는 사용자에게 신호를 정확하게 제공하고 다른 사용자에게는 간섭을 일으키지 않도록 하는 방법이다. 매시브 MIMO 기술은 많은 수의 안테나와 신호 처리 알고리즘을 사용해서 시스템이 마이크로한 범위에 대해 주파수 재활용 효율을 극대화할 수 있게 해준다. 이 기술은 ‘공간’이라는 새로운 인자를 주파수 재활용 공식에 사용함으로써, 기지국이 동일한 스펙트럼에서 여러 사용자에게 독립적인 데이터 스트림을 동시에 제공할 수 있게 해준다. 이를 통해 스펙트럼 효율이 크게 향상되며, 이는 다시 기지국 쓰루풋을 대폭 향상하는 효과로 이어진다. 그림 1은 바로 그러한 시스템을 보여준다. 이 그림에서 안테나는 마치 패널처럼 생겼는데, 그 위에 많은 방사체(안테나 소자)가 탑재된다. 각각의 방사체 뒤에는 무선 신호 체인이 있다.
그림 1: 매시브 MIMO

 

매시브 MIMO 현황은?

매시브 MIMO는 모바일 데이터 쓰루풋을 3~5배 향상시킬 수 있는 것으로 이미 입증되었으며, 앞으로 더욱 향상될 수 있을 것이다. 세계 각국의 많은 이동통신사업자들이 매시브 MIMO에 대한 시험을 마쳤으며, 2019 ~ 2020년에는 이들 중 몇몇 얼리 어답터가 자신들의 네트워크 중 가장 혼잡한 지역에 대응하기 위해 이 기술을 채택하면서 본격적인 상용화가 시작될 것으로 예상된다. 매시브 MIMO 기술이 진화하고 3GPP 무선 표준에 새로운 기능들이 추가됨에 따라서 이 무선 기술이 세계 각국의 모바일 네트워크로 빠르게 확산될 것으로 예상된다.
 

기술이 엔지니어링 커뮤니티에 제기하는 과제는 무엇인가?

매시브 MIMO 기술을 활용하면 통상적인 8T8R(8개의 트랜스미터와 8개의 리시버) TDD(시분할 이중화) 무선 헤드에서 많게는 64T64R에 이르기까지 보다 많은 무선 채널을 시스템에 추가할 수 있다. 매시브 MIMO 시스템은 기지국 용량을 크게 향상시키는 대신, 무선 헤드의 복잡성을 높인다. 기존의 무선 구현 방식은 원격 무선 헤드가 케이블을 통해 신호를 제공하는 수동 안테나 인클로저를 사용한다. 매시브 MIMO의 구조는 능동 안테나 아키텍처를 기반으로 하며, 능동 무선 신호 체인을 안테나 어셈블리 안에 내장한다. 이러한 무선 시스템은 흔히 타워나 전신주에 탑재되므로 능동 안테나 시스템의 크기나 무게에 있어서 제약이 따른다. 안테나 크기는 안테나 소자 간격에 따라서 결정되는데, 이 외에 DC 전력 소모 역시 시스템 무게에 영향을 미치는 중요한 요인이 된다. 필요한 무선 성능을 허용 가능한 크기, 무게, 전력 소모 범위 안에서 달성하기 위해서는 무선 설계 엔지니어가 다양한 기술적 과제들을 해결해야 한다.
 

5G용으로 ADI 제공하는 제품과 최신 RF 솔루션은 무엇이 있나?

무선 시스템의 크기, 무게, 전력 소모를 줄이기 위한 방법은 여러 가지가 있다. 가장 일반적인 접근법은 회로 집적과 무어의 법칙을 활용해서 크기를 축소하고 전력 효율을 높이는 것이다. ADI는 이러한 문제들을 해결할 수 있도록 시스템 차원의 접근법을 취하고 있다. 집적도를 높이는 것이 크기를 축소할 수 있는 가장 직접적인 방법이기는 하나, 이것만으로는 충분하지 않다. 시스템 파티셔닝을 다시 하고 아키텍처를 최적화함으로써 훨씬 더 인상적인 결과를 달성할 수 있다. 예를 들어서 크기가 큰 필터와 그 밖에 다른 수동 소자들을 축소하거나 아예 없앨 수 있는 무선 아키텍처를 개발한다면 훨씬 더 뛰어난 솔루션을 구현할 수 있을 것이다. 제로 IF 무선 아키텍처는 전반적인 시스템 복잡성과 전력 소모를 낮출 수 있으며 더 많은 무선 기능을 통합할 수 있다.
 
제로 IF 아키텍처를 기반으로 한 ADI의 고집적 CMOS 무선 트랜시버 제품은 전반적인 무선 시스템의 크기, 무게, 전력 소모를 크게 줄일 수 있다. CMOS 무선 트랜시버 외에도, ADI는 무선 프런트엔드 신호 체인, 정밀 모니터링 및 제어 기능, 고효율 전력관리 회로용으로 방대한 RF 디바이스 제품을 제공한다.
 
이러한 제품으로 AD9375와 최근 출시된 ADRV9009를 들 수 있다. 2017년에 출시된 AD9375는 디지털 전치왜곡(digital predistortion, DPD) 알고리즘을 내장한 최초의 RF 트랜시버로서, 스몰셀 무선 및 능동 안테나 시스템용으로 송신 전력 효율을 최적화하도록 설계되었다. “DPD 시스템을 FPGA에서 트랜시버로 옮김으로써 JESD204B 직렬 데이터 인터페이스 레인 수를 절반으로 줄이게 되었다. 그 결과, 기지국당 안테나 수가 늘어남에도 불구하고 전력을 대폭 절감할 수 있게 되었다.”
 
최근 ADI는 수상 경력을 자랑하는 RadioVerse™ 기술 및 설계 에코시스템에 업계에서 가장 대역폭이 넓은 RF 트랜시버 제품인 ADRV9009를 새롭게 추가했다. 이 제품군은 5G 구축을 가속화하고 2G/3G/4G 커버리지를 유지하며 위상 배열 레이더 설계를 간소화하는 단일 무선 플랫폼을 제공한다. ADRV9009 RF 트랜시버는 이전 세대 제품보다 두 배의 대역폭(200MHz)을 제공하고 부품 수를 많게는 20개까지 대체할 수 있으며, 전력소모는 절반 정도로 낮고 패키지 크기도 60%까지 더 작다. ADRV9009는 내부 로컬 오실레이터(LO)를 사용하여 다중칩 위상 동기화가 가능하므로 고성능 디지털 빔포밍을 할 수 있으며 크기와 무게, 전력 소모도 줄어든다.


그림 2: ADRV9009 업계에서 대역폭이 가장 넓은 RF 트랜시버 제품으로서, 개발자는 이를 활용해 2G~5G 기지국과 위상 배열 레이더를 빠르게 개발할 있다.
 

RadioVerse 무선 기술은 어떻게 5G 가속화에 기여하는가?

RadioVerse 기술은 ADI의 시스템 차원의 접근법을 잘 보여준다. 비트에서부터 안테나에 이르는 방대한 제품 포트폴리오와 시스템 차원의 전문성을 겸비함으로써, 고객들에게 단순한 부품 공급사가 아니라 고객의 핵심 과제를 해결하는 파트너로 다가가고자 한다. 고객들은 ADI 웹사이트 상에 소개한 에코시스템을 활용함으로써 컨셉트 구상 단계에서 프로토타입을 거쳐서 생산 착수까지 빠르게 진행할 수 있다.
 
고집적 트랜시버 제품이든, 최신 데이터 컨버터와 RF 제품이든, RadioVerse 제품군은 설계를 돕기 위한 포괄적인 기술 자료, 레퍼런스 디자인, 소프트웨어, 툴을 제공한다. EngineerZone™이라고 하는 지원 커뮤니티에서는 지원 포럼, 블로그 등을 제공하므로, 설계자들이 ADI의 전문가들과 의견을 나누고 설계 문제에 대한 도움말을 얻을 수 있다.
 
그림 3은 AD9375 스몰셀 레퍼런스 디자인을 보여준다. 이 레퍼런스 디자인은 SERDES 인터페이스에서부터 안테나에 이르기까지 스몰셀 무선에 필요한 모든 구성요소들을 포함한다. 이는 옥내 스몰셀 용으로, 안테나당 2T2R 250mW 출력 전력에 적합하다. DPD를 통합한 AD9375를 비롯하여 고효율 전력증폭기(PA), 저잡음증폭기(LNA), 필터, 전원 장치 등 필요한 모든 무선 부품들을 포함하고 있다. 전력 소모는 10W 미만이며, 한 손에 쏙 들어오는 극히 소형화된 폼팩터이다. 이 보드를 구동하려면 단일 12V 전원만 있으면 되며, 함께 제공되는 평가 키트를 사용해서 베이스밴드 서브시스템에 곧바로 연결할 수 있으므로 설계 엔지니어가 프로토타입을 신속하게 개발할 수 있다.


그림 3: 레퍼런스 디자인
 

5G 언제 본격적으로 시작될까?

2017년 말에 3GPP는 최초의 5G v 규격(릴리즈 15)을 발표했다. 이것은 5G로 나아가기 위한 첫 걸음에 불과하지만, SoC 회사들이 2019년에 나올 5G 단말기용 모뎀 개발에 착수할 수 있게 한다는 점에 의의가 있다. 주목할 만한 또 다른 점은, 3GPP가 최근 5G NR 독립형 규격을 마무리했다고 발표한 것이다. 이로써 5G NR 네트워크를 개별적으로 구축하는 것이 가능해졌다. 지역에 따라서 다소 차이는 있겠지만, 2020년에 5G가 본격적인 상용화에 들어가고 소비자들이 처음으로 5G 기술을 경험하게 될 것으로 전망된다. 또한 많은 지역에서 5G 매시브 MIMO에 중간 대역 스펙트럼을 사용할 것이며, 기술이 좀더 성숙하면 밀리미터파를 활용하게 될 것이다. 하위 대역이든, 중간 대역이든, 또는 밀리미터파이든, ADI는 고객들이 5G 시대에 가능성의 한계를 넘어서(Ahead of What’s Possible™) 앞서 갈 수 있도록 필요한 솔루션을 제공할 것이다.



참고문헌

"Analog Devices Lays Foundation for 4G to 5G Migration with Expanded RadioVerse Wireless Technology and Design Ecosystem.” Analog Devices, Inc., June 2017.

저자 소개
토마스 카메론(Thomas Cameron) 박사는 아나로그디바이스의 무선 기술 이사이다. 셀룰러 기지국 시스템 용의 IC 혁신에 기여해 왔다. 현재는 셀룰러 및 밀리미터파 주파수 대역의 5G 시스템용 무선 기술 연구개발을 이끌고 있다. 그 전에는 ADI 통신 사업부에서 시스템 엔지니어링 이사를 역임했다.
 
카메론 박사는 셀룰러 기지국, 마이크로파 무선, 케이블 시스템을 비롯해서 통신 네트워크 기술 연구개발에 30년 넘게 종사해 왔다. 2006년에 ADI에 입사했으며, 그 전에는 벨 노던 리서치(Bell Northern Research, BNR), 노텔(Nortel), 사이렌자 마이크로디바이스(Sirenza Microdevices), WJ 커뮤니케이션(WJ Communications)에서 다양한 RF 시스템 및 기술 개발 업무를 수행했다.
 
조지아 공과대학에서 전기공학 박사학위를 취득했으며, 무선 기술과 관련한 7개의 특허를 보유하고 있고, 다수의 기술 논문과 글을 집필했다. 연락처: thomas.cameron@analog.com