밀리미터파 활용 5세대 이동통신 기술 개발 동향

1. 밀리미터파 특성

(그림 2)

대기 산소 및 수증기에 의한 신호 감쇄

밀리미터파는 일반적으로 EHF(Extremely High Frequency) 대역으로 불리는 30 – 300GHz 대역 주파수로 그 파장 길이가 1cm – 1mm를 갖는 대역을 일컫는다. 최근 주파수 확보 필요성에 따라 10GHz 이상의 비/저활용 주파수 대역을 이동통신 주파수로 사용하는 것을 고려하는 움직임이 있고, 따라서 본고에서는 10-300GHz 주파수를 밀리미터파로 통칭한다. 밀리미터파의 주요 전파 특성으로는 무엇보다 높은 경로 손실 발생을 들 수 있는데, 기존 셀룰러 주파수 대비 대기의 산소 및 물분자에 의해 에너지 흡수가 상대적으로 크게 발생하기 때문이다. 특히, 57-66GHz 대역의 경우 산소 분자에 의한 신호 감쇄가 가장 높은 대역이고, 164- 200GHz 대역은 물 분자에 의한 신호 감쇄가 가장 높다 ((그림 2) 참조).

(그림 3)

밀리미터파 고경로 손실 유발 요인

자유공간에서 밀리미터파의 고경로 손실 유발 요인은 짧은 파장과 넓은 대역폭 두 가지로 요약된다. (그림 3)(a)에 도시된 바와 같이, 자유공간에서의 밀리미터파 수신의 경우, 상대적으로 짧은 파장에 따른 작은 ‘유효 안테나 개구면 크기(effective antenna aperture area)’로 신호를 수신하고, 이 때문에 송신 신호 포착(capture) 양이 작아 낮은 주파수의 경우 보다 전송 손실이 높아진다. 또한, 상대적으로 넓은 대역폭을 사용하기 때문에 발생되는 높은 열잡음은 ‘신호-대-잡음-비(SNR: Signal-to-Noise Ratio)’ 값을 작게 만든다((그림 3)(b) 참조). 하지만 짧은 파장으로 인해 동일 면적에 상대적으로 많은 안테나들을 실장(packing)할 수 있고 이로 인해 신호를 특정 방향으로 집중하여 송신할 수 있고 또 한 해당 방향으로 집중하여 신호를 수신할 수 있기 때문에, 오히려 낮은 주파수에서보다 전송 효율을 높일 수 있다.

2. 밀리미터파의 통신 활용 현황

• 60GHz 기반 근거리 MGWS(Multi-Gigabit Wireless System) 시스템: 60GHz 대역 (57-66GHz)은 우리 나라와 미국/캐나다(모두 57-64GHz)를 비롯하여 일본과 유럽(모두 59-66GHz), 그리고 중국(59- 63GHz)이 상기 주파수 대역을 비면허 대역으로 규정함으로써 전세계적으로 공통 사용이 가능하고, 2.16GHz에 달하는 단위 채널 대역폭을 사용할 수 있어 고차 변/복조 기술 없이도 손쉽게 Multi-Giga 급 전송 속도를 제공할 수 있다. 하지만 산소 분자에 의한 높은 전파 흡수와 강우에 따른 감쇄, 장애물 투과에 따른 심각한 감쇄 등으로 인해 근거리 초고속 무선 PAN/LAN 시스템을 구축하는데 활용되고 있다. 관련 표준으로는 Wireless HD, Ecma-387, IEEE 802.15.3c, WiGig, 그리고 IEEE 802.11ad가 있다.

• 고정백홀 시스템: 최근 들어 셀-분할(cell-splitting) 을 통한 용량 증대를 목적으로 하는 ‘스몰-셀(small cell)’기술이 집중적으로 연구됨에 따라, 광 연결뿐만 아니라 마이크로파 및 밀리미터파 백홀도 점진적으로 널리 포설되고 있다. 특히 밀리미터파 백홀은 대용량 제공이 가능하여 경제적인 백홀 방안으로 주목 받기 시작하고 있다. 밀리미터파 백홀은 E-band인 71-76GHz, 81-86GHz, 그리고 92- 95GHz가 주로 사용된다. 광 설치 비용이 mile당 $25,000에서 $100,000이고 설치 기간에 수개월이 소요되는 반면, 밀리미터파 설치 비용은 mile 당 $20,000 이하이고 설치 기간도 수일에 불과하다[9].

이처럼, 기존 밀리미터파 통신시스템은 비록 일부 대역이지만 광대역폭을 최대로 활용하여 멀티-기가-무선-시스템에 이미 활용되고 있다. 하지만 그 활용 분야는 근거리 및 고정 백홀 통신에 국한되어 있어 이동통신에 활용하기 위해서는 모바일 환경에 적응적인 기능 및 단말 탑재 가능 전용 칩 개발에 지속적인 연구 노력이 요구된다.

(그림4)

60GHz 송수신 칩 ((a) SI사의 UltraGig 6400 (WirelessHD규격 지원), (b)Wilocity사의 Wil6200(IEEE 802.11ad 규격 지원))

최근 수년간 반도체 미세공정의 급속한 발달로 밀리 미터파뿐만 아니라 테라헤르츠 대역 회로까지 CMOS로 구현할 수 있게 되었다[10]. 100nm 이하 CMOS 나노 공정을 통해 60GHz기반의 다양한 표준 규격에 들어 맞는 칩 개발이 활성화되어 있고, 특히 IEEE 802.11ad (WiGig) 표준을 지원하는 수준의 송수신 칩 개발이 가능하게 된 것은 가격 경쟁력과 모바일 단말 탑재 가능성을 제고시키면서, 밀리미터파를 이동통신에 적용할 가능성도 함께 펼쳐 놓게 되었다((그림 4) 참조). 하지만 밀리미터파를 모바일 환경에 적용하기 위해서는 CMOS 전력증폭기의 전력 효율 개선과 광대역 필터 및 초고속 ADC(Analog-to-Digital Conversion)/DAC(Digital-to- Analog Conversion) 기술 개발, 적응적 빔형성 기술 개발, 그리고 상기한 소자/기술들의 단일 패키징을 통한 저전력/소형화 기술 개선 등이 지속해서 요구된다.

1. 주파수 확보 노력

전 세계적인 모바일 트래픽 폭증에 의한 IMT 주파수 부족을 해결하기 위해 추가 주파수 발굴을 목표로 하는 WRC(World Radio Conference)-15 의제에 따라, ITU-R WP5D가 후보대역을 발굴하고 JTG 4-5-6-7에서 공유 연구를 수행하게 된다. 우리나라는 가장 적극적으로 밀리미터파 대역을 후보 대역으로 반영하고자 노력하고 있고, 그 목적으로 15차 WP5D 회의에 13.4- 14GHz, 181-18.6GHz, 27-29.5GHz, 38-39.5GHz 대역((그림 5) 참조)에 대한 전파환경 측정결과 및 IMT 파라미터에 대한 기고를 제출하고 16차 회의에서는 기술적 가능성을 제시하였다 [11][12]. 비록 우리나라가 제안한 IMT 밀리미터파 후보 대역을 JTG에 보내는 최종 후보대역에 포함하지는 못하였으나 차기 WRC 의제로 추진하고 WP5D에서 밀리미터파 대역을 계속 연구 하는 성과를 얻었다. 따라서 차기 WRC에서의 성공적인 주파수 확보를 위해, 밀리미터파 대역이 이동통신에 활용될 수 있다는 기술적 타당성 마련을 토대로 세계 각국과의 공조를 확대하고 탄탄히 하는 전략 수립이 요구된다.

(그림 5)

밀리미터파 후보 주파수[13]

2. 기술 개발 동향/현황

본 소절에서는 밀리미터파 주파수 대역을 셀룰러 이동통신에 활용하는 것을 최초로 소개한 MMB (Millimeter Mobile Broadband)시스템[14] 발표 이후 확산하기 시작한 밀리미터파 기반 5G 이동통신 기술 개발 현황을 소개한다.

(그림 6)

NSN의 10,000배 용량 증대 비전

(그림 7)

소프트-셀과 팬텀-셀 개념도[15]

(그림 8)

3D 빔 형성 기술[15]

• IWPC 워크숍: IWPC(International Wireless Industry Consortium)는 전세계 150여 개 회사들이 속해있는 국제무선산업 컨소시엄이다. IWPC의 무선 인프라 및 마이크로파/밀리미터파 워킹그룹에 속해있는 Mobile Multi Gigabit(MoGiG) Wireless Networks and Terminals 그룹에서는 밀리미터파 대역을 이용한 통신기술들을 회원사들 간 공유 목적으로 워크숍을 통해 소개하고 있다. 2011년 12월에는 삼성전자의 MMB[14], 인터디지털의 스몰-셀 및 백홀 기술, 브릿지웨이브의 멀티기가급 무선 통신 토폴로지 기술이 소개되었다. 2012년에는 NSN의 경우 2030년까지 10,000배의 용량 확보 필요성을 주장하면서 용량 증대를 위해 밀리미터파를 활용하는 비전을 제시하였다((그림 6) 참조).

• 3GPP TSG RAN Rel-12 onward 워크숍: 2012년 6월에 Rel-12 이후의 표준화 방향을 정립하는 워크숍이 개최되어 총 42개 회사에서 기술 로드맵을 발표하였다[15]. 주목할 점은 밀리미터파 활용 가능성 언급(에릭슨, 도코모, 후지쯔, 샤프, 삼성전자)과 3D-빔 형성 적용(NSN, NEC, 알카텔루슨트, ZTE, 삼성전자)이다. 먼저, 밀리미터파 활용 가능성 측면에서 에릭슨과 도코모는 (그림 7)에 도시된 소프트-셀과 팬텀-셀 개념을 제시하였는데, 모두 서로 다른 주파수를 사용하여 (매크로-셀은 anchor carrier 로 기존 셀룰러 주파수, 스몰-셀은 booster carrier 로 밀리미터파 주파수) 매크로-셀로부터의 지원을 통해 스몰-셀들의 데이터 송/수신을 강화하는 아키텍처이다. 이는 넓은 커버리지를 지원하는 매크로-셀에서 단말 연결 및 제어 채널을 제공하고 스몰-셀에서는 고속의 데이터 전송을 제공하는 스몰-셀 개선 기술로써의 밀리미터파를 활용하는 기술이다. 또한, 3D-빔 형성 기술을 많은 회사에서 향후 표준 채택 예상기술로 언급하였는데, 이는 다수의 안테나 사용이 필요한 기술로 밀리미터파에 필수적인 기술인 것에 주목할 필요가 있다((그림 8) 참조).

• 기타 국외 학계 연구 현황: 뉴욕 폴리테크닉 대학의 라파포트 교수는 28/38GHz주파수 대역에서의 채널 측정을 통한 분석으로 밀리미터파를 셀룰러 네트워크 구축에 활용할 수 있음을 주장한다[16]. 또한, 캘리포니아 산타바바라 대학의 매드호 교수팀과 텍사스 오스틴 대학의 히스 교수팀은 대규 배열모 안테나시스템의 단순한 하드웨어 제어 아키텍쳐를 위한 압축 센싱 기법 활용과 하이브리드빔 형성 방식을 연구하고 있다[17][18].

• 국내 연구 현황: 한국전자통신연구원에서는 밀리미 터파를 활용한 이동 무선 백홀 기술(MHN: Mobile Hotspot Network)과 밀리미터파 활용 단말 액세스 기술(중추 네트워크)을 2012년부터 수행하고 있다. MHN 기술은 300km/h 이상 고속그룹 이동환경에서 밀리미터파를 사용하여 Gbps급 데이터 서비스 제공을 가능하게 하는 이동무선백홀 기술을 제공한다. MHN 시스템은 기본적으로 밀리미터파를 사용하는 차량외부 이동무선 백홀링크와 6GHz 이하의 주파수를 사용하며 WLAN 혹은 Femto를 이용하는 차량내부 액세스링크로 이루어진다. 밀리미터파 활용 관점에서 밀리미터파를 고정 백홀로 사용하고 단말 액세스는 below-6GHz를 사용하는 2계위 시스템이 기존의 일반적인 밀리미터파 활용인데, MHN 기술을 통해 이동 백홀을 제공할 수 있다. 최근 들어 단말 액세스까지 밀리미터파로 제공하는 1계위 시스템 구축 연구가 우리나라 주도로 진행되고 있다. 올해 삼성전자는 28GHz주파수의 500MHz 대역폭을 사용하여 OFDM 전송 방식으로 약 1Gbps의 최대 전송 속도와 2km 최대 전송거리의 시연을 보였다. 또한, 시연 시스템을 통해 다양한 채널 측정 결과를 수집하여 밀리미터파 주파수 확보를 위한 국가 기고서 작업에 많은 이바지를 하였다[11]. 한편, 한국전자통신연구원에서는 중추 네트워크 원천 기술을 확장 발전시켜 1계위의 준상용 제품까지 개발하는 기가코리아 네트워크 사업을 올해부터 시작하게 된다.

다음 장에서는 중추 네트워크 기술을 자세히 소개한다.

1. 프레임 구조

중추 네트워크의 무선접속 방식은 LTE와 동일한 OFDMA를 사용하는데, (그림 10)에 중추 네트워크 프레임 구조가 도시되어 있다. 중추 네트워크는 확장 가능한 시스템 대역폭들(125/250/500/1000MHz)을 정의하고 ‘캐리어 집성(CA: Carrier Aggregation)’ 방식을 지원한다. 중추 네트워크의 ‘전송 시간 간격(TTI: Transmission Time Interval)’은 단일 슬롯으로 정의되는데, 이 값은 100us으로 총 16개의 OFDM 심볼수에 해당한다. 서브프레임과 프레임은 LTE와 동일하게 각각 1ms(10개 슬롯 길이)과 10ms(10개 서브프레임 길이)로 설정된다. 프레임 구조에 사용된 파라미터들의 특징으로, 널리 사용되는 30.72MHz 클럭의 정수배가 되도록 샘플링률을 선택, 690ns의 CP 길이를 설정하여 멀티패스에서 가장 긴 경우를 수용, 그리고 서브캐리어 간격은 180kHz로 설정하여 합리적인 FFT/IFFT 크기를 유지하면서 350km/h 속도의 도플러에서도 강인하도록 설계 등을 들 수 있다. 결과적인(CP 없는) OFDM 심볼 길이는 5.56us으로 약 11%의 CP 오버헤드를 갖는다.

(그림 10)

중추 네트워크 프레임 구조

2. 기지국/단말 3D 빔형성 기술

중추/중계 기지국은 3D 빔형성 기술을 통해 수평/수직 방향으로 직교 특성을 보이는 다수 고정 빔들을 형성한다. 특히, 중추 기지국은 120도 셀 기준 100Gbps 용량 제공을 위해 40개의 고정 빔들을 형성한다. 이와 같이, 고차(higher-order) 섹터화(sectorization)를 효율적으로 지원하기 위해서는 sharp한 빔을 형성할 수 있어야 하는데, 낮은 부엽(side-lobe) 특성을 갖는 혼안테나를 활용한다. (그림 11)은 중추 기지국의 안테나 형상을 도시하고 있다. 하나의 면을 구성하는 안테나들은 복수 행과 복수 열로 구성되며, 개별 안테나들 각각은 혼 안테나로써 하나의 빔을 형성할 수 있으며, 특정 방향을 지향하도록 고정된다.

(그림 11)

중추 기지국 안테나 형상

120도 셀은 주어진 복수 개의 빔들에 의해 형성되는 영역들로 구성되는데, 하나의 빔 당 제공하는 무선 용량이 일정하기 때문에 빔 수가 많을수록 전체 시스템 용량은 증대할 수 있지만 간섭 또한 증가하게 된다.상기 빔 영역들은 단말 이동시 연결 유지를 위해 중첩되어야 하는 반면, 서로 다른 빔 간 간섭량 또한 일정 수준으로 제한되어야만 시스템 용량이 제고될 수 있다. 100Gbps 달성 안테나 배치 최적화 기준으로, 한 빔의 중심이 지향하는 곳에 단말이 위치한다고 가정 하에, 상기 최적 단말 위치에서 신호 빔과 인접 간섭 빔들에 의한 SINR 값이 18dB 이상이 되도록 하여 64QAM 2/3 MCS이 적용될 수 있도록 한다. 중추 기지국의 커버리 지 1000m 및 안테나 높이 50m 조건 하에서, 안테나 최적 배치 구조는 다음과 같다.

중추 기지국 안테나는 총 4행으로 배치되어, 1행 및 2행은 5도-5도(HPBW로써 각각 수평과 수직 빔폭을 표시) 안테나 12개 인접 열로 구성되며, 3행은 5도-5도 안테나 10개로, 그리고 4행은 5도-20도 안테나 6개로 구성된다. 1행 안테나들은 각각 downtilt(수직 방향으로 꺾이는 정도) 3도로 설정되며, 2행/3행/4행 안테나들은 각각 15도/27도/57도로 설정된다. 안테나들의 수평 방향 이격은 1행 및 2행 안테나의 경우 중심 각 거리를 각 각 10도씩, 3행과 4행 안테나들은 각각 12도와 20도씩 이격 시키도록 설정하여 인접 빔들간 간섭을 조절하도록 하였으며, 이 때의 각 거리는 모든 안테나들이 수평 상태(즉, downtilt 0도)일 때의 값이다.

중추 네트워크 단말은 최대 1km 커버리지 확보를 위해 12dBi 이상의 빔 형성 기술이 요구된다. 특히 단말은 기지국과 달리 빔 방향이 수시로 변하므로 유연한 빔 형성이 요구되고 단말 실장을 위한 작은 폼팩터가 요구된다. 이를 위해 4x4 패치 배열 안테나를 단말의 앞/뒤에 실장할 수 있어야 하고, 디지털 프로세싱을 통해 스위칭 빔 형성 또는 적응적 빔 형성구현을 고려한다. 스위칭 빔 형성은 고정 빔 형태의 빔 집합에서 하나를 선택하여 송/수신하는 기법이다. 오프라인으로 주어진 빔에 대한 빔 형성 계수를 미리 설정하며 빔 선택시 채널 상태정보를 사용한다. 적응적 빔 형성은 채널 상태 정보에 기반하여 빔 형성 계수를 생성하는데, 사용되는 알고리즘에 따른 방안으로 MRC(Maximum Ratio Combining)수신), MRT(Maximum Ratio Transmission) 송신), MMSE(Minimum Mean Square Error(송/ 수신)), ZF(Zero Forcing(송/수신)) 등이 있다.두 가지 빔 형성 방법 모두 다수의 RF 패스들에 대한 캘리브레 이션이 요구된다. 적응적 빔 형성 방안은 채널 정보에 기반하여 빔 형성 계수를 계산하기 때문에 높은 이동속도에 상대적으로 취약한 특성이 있다.

3. 캘리브레이션

디지털 빔 형성 기법에서 캘리브레이션은 다수의 안테나 송수신 RF 체인들을 갖는 시스템에서 RF 체인간 특성 차를 제거하는 절차이다. 하나의 송/수신 RF체인 특성을 α_i, 𝛽_i 로 대표할 때, RF 체인 간 특성 차이로 인해 상/하향 합성(composite) 채널의 가역성(reciprocity, )은 깨지게 된다((그림 12) 참조). RF 체인 간 특성 차이를 캘리브레이션으로 제거함으로써 채널 가역성을 유지할 수 있다.

(그림 12)

합성 채널 가역성

4. NLOS 극복 멀티레벨 토폴로지 기술

밀리미터파는 건물과 같은 방해물에 의해 신호가 봉쇄되어 커버리지 홀(hole)이 발생할 수 있는데, 이를 중계기지국을 통해 해결할 수 있다. (그림 13)은 대전 정부 청사 주변 반경 500m 지역의 실제 건물 모델링과 밀리미터파 신호의 건물에 의한 반사 및 봉쇄를 모델링하여 시뮬레이션한 결과이다. 중추 기지국만을 설치한 경우 밀리미터파 신호 커버리지는 60% 이하지만 중계 기지국을 건물 봉쇄 지역에 설치할 경우 신호 커버리지가 확대됨을 확인할 수 있다. 이와 같은 커버리지 확장은 서비스 영역을 확장하는 효과와 함께 단말의 서비스 용량을 증대하는 효과를 얻을 수 있다. 하지만 다단계 중계에 따른 지연 문제를 해결하기 위해서는 중계 기지국의 전이중화를 통해 백홀 링크로 송/수신을 하면서 동시에 액세스 링크로 송/수신이 가능하도록 해야 하며, 또한 중추/중계 기지국의 스케줄링 단위인 TTI 값을 작게 유지할 수 있어야 한다.

(그림 13)

중계 기지국을 통한 커버리지 확장