밀리미터파 기반 5세대 이동통신 RF 기술/시장동향

Trends of 5G Mobile Communication Radio Frequency Technology & Market based on mm-Wave

저자
장재득, 김철호, 이희동, 장승현, 강병수, 박봉혁, 김태중 / 이동통신RF연구실
권호
31권 5호 (통권 161)
논문구분
5G 기가통신 기반기술 특집
페이지
41-50
발행일자
2016.10.01
DOI
10.22648/ETRI.2016.J.310505
초록
최근 이동통신 시장이 활성화되면서 모바일 스마트 기기가 하루가 다르게 발전하여 출시됨에 따라 사용자가 급속히 늘어나게 되어 현재의 무선 네트워크에서 소비되는 모바일 데이터 트래픽이 기하급수적으로 증가하고 있다. 이러한 모바일 사용자 트래픽 증가에 따른 수요를 충족하기 위해서는 기존의 무선 인프라를 넘어서는 새로운 무선기술이 개발되어야 한다. 이를 위하여 우리나라를 비롯하여 전 세계적으로 넓은 대역폭 확보가 가능한 밀리미터파 기반의 5세대 이동통신 RF 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 이와 같이 밀리미터파(mm-Wave) 무선 통신 기술은 30~300GHz의 초고주파를 이용하여 1GHz 이상의 대역폭을 사용하고 밀리미터(mm) 단위의 짧은 파장을 제어하여 대량의 멀티미디어 정보를 전송할 수 있는 5세대 이동통신 핵심 요소 기술로 연구개발 되고 있다. 본고에서는 서론에 이어 밀리미터파 대역 RF 기술 개요, 국내외 기술동향, 국내외 시장동향에 대하여 살펴보고자 한다.
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Ⅰ. 서론

최근 무선통신 기술은 급속도로 발전하여 새로운 무선 기기가 출시됨에 따라 데이터 소비량이 기하급수적으로 증가하고 있다. 이러한 모바일 사용자 트래픽 증가에 따른 수요를 충족하기 위해서는 새로운 무선기술이 개발되어야 한다. 따라서 기존의 6GHz 이하 대역에서 동작하는 이동통신 시스템은 대역폭 제한에 의한 전송 용량에 한계가 있으며 대용량을 수용할 수가 없다. 이를 위해 넓은 대역폭 확보가 가능한 밀리미터파 기반의 5세대 이동통신 Radio Frequency(RF) 기술 개발이 우리나라를 비롯하여 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다.

샤논 하틀리 이론(Shannon Hartley Theorem)에 따르면 채널 용량은 전송 대역폭과 신호대 잡음비와의 관계를 나타낸다[1]. 상기와 같이 데이터 속도 향상과 용량 개선은 대역폭(스펙트럼) 가용성과 관련이 있다. 대역폭이 확대되면 데이터 속도가 빨라지므로 이동통신 사업자는 더 많은 사용자에게 서비스를 제공하는 모바일 광대역 데이터 환경을 제공할 수 있다.

밀리미터파(mm-Wave)는 전파의 특성상 파장이 짧아 안테나 및 기기의 소형, 경량화가 가능하고 대역폭을 넓게 사용할 수 있어 정보량을 대량으로 전송할 수 있는 강점을 가지고 있다. 이처럼 밀리미터파 무선 통신 기술은 30~300GHz의 초고주파를 이용하여 1GHz 이상의 대역폭을 사용하고, 가용 대역이 풍부한 밀리미터파 및 밀리미터(mm) 단위의 짧은 파장을 제어하여 대량의 멀티미디어 정보를 실시간으로 전송함으로써 전송 용량을 증대시킬 수 있는 5세대 이동통신 핵심 요소 기술로 연구개발되고 있다[2]. 본고에서는 서론에 이어 밀리미터파 대역 RF 기술 개요, 국내외 기술동향, 국내외 시장동향에 대하여 살펴보고자 한다.

II. 밀리미터파 대역 RF 기술 개요

초고속 모바일 정보 전송을 제공하기 위하여 밀리미터파 기반 광대역 이동통신 RF 구성은 (그림 1)과 같이 전력 증폭기(Power Amplifier: PA), 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier: LNA), Tx/Rx 스위치, 필터 등으로 구성되는 RF 전치단(Front End Module: FEM), 상기 RF 전치단의 입출력단은 밀리미터파 배열 안테나 및 밀리미터파 RF 송수신기로 연결되어 밀리미터파 대역 RF 시스템이 구성된다.

(그림 1)

밀리미터파 기반 이동통신 RF 구성도

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밀리미터파 대역 RF 전치단 구현 방법으로는 하나의 반도체 기판 상에 전력 증폭기, 저잡음 증폭기, 스위치, 필터 등을 모두 집적하여 단일 Monolithic Microwave Integrated Circuit(MMIC)로 제작하는 방식[3]과 각각의 구성 요소별로 최적화된 공정을 이용하여 개별 칩 형태로 제작한 후, 다중칩 모듈(Multi-chip Module) 형태로 제작하는 방식이 있으며, 다중칩 모듈 방식이 초기 양산 비용 대비 전치단 성능 요구조건을 충족시키는 데 적합하다.

1. 밀리미터파 대역 RF 전치단

가. 밀리미터파 전력 증폭기(PA)

밀리미터파 전력 증폭기(PA) 칩은 단말 RF 전력 소모량의 상당 부분과 기지국 전체 전력소모의 80% 이상을 차지하고 있으며 RF 전치단에서 전력 고효율화 기술은 필수적 핵심 요소 기술이라고 할 수 있다. 따라서 밀리미터파(mm-Wave) 전력 증폭기는 수십~수백GHz 신호의 증폭이 요구되며, 캐리어 신호 대비 대역폭 비(Fractional Bandwidth)가 상대적으로 작기 때문에 선형적인 증폭이 가능하지만 밀리미터파라는 주파수 특성에 의한 기생성분이 발생함으로 이에 따른 효율 저하 문제를 극복할 필요성이 있다. 특히, 선형성 및 최대 전력 대 평균 전력비(Peak to Average Power Ratio: PAPR) 특성을 가지는 전력 증폭기 개발이 중요하다고 생각한다.

고효율 PA는 다양한 방법으로 구현할 수 있으며, 대표적으로 (그림 2)의 Doherty 기술[4], Envelope Elimination and Restoration(EER) 기술, Linear Amplification using Non-linear Components(LINC) 기술, Class-S PA 기술, Envelope Tracking(ET) 기술 등이 있다.

(그림 2)

밀리미터파 2단 도허티 전력 증폭기 블록도

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나. 밀리미터파 저잡음 증폭기(LNA)

밀리미터파 저잡음 증폭기(LNA)는 수신단의 첫 번째 증폭 회로로 동작하여 수신단 전체의 잡음 특성을 개선 시킨다. 이때 LNA는 저잡음 정합을 통하여 자체적인 잡음의 증가를 억제하는데, 밀리미터파 대역에서는 기생 성분의 영향을 최소화하기 위한 기술이 필요하다[(그림 3) 참조].

(그림 3)

밀리미터파 대역 LNA 및 Switch 회로

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다. 밀리미터파 Tx/Rx 스위치

밀리미터파 Tx/Rx 스위치는 (그림 3)에서 보듯이 Time Division Duplex(TDD) 동작을 하는 시스템에서 안테나를 송신단과 수신단으로 구분하여 연결시켜주는 기능을 하며, 특히 밀리미터파 대역에서는 통과 신호의 감소와 누설 신호의 증가를 해결하기 위한 기술이 요구된다.

라. 밀리미터파 필터

밀리미터파 필터는 (그림 4a)와 같이 시스템에서 요구되는 28GHz 신호대역만 통과시키고, 그외 불필요한 주파수 신호를 제거하기 위한 구성요소이며, 송신부에서는 PA 전단에서, 수신부에서는 LNA 후단에 위치하여 불필요한 신호를 감쇄시킨다.

(그림 4)

밀리미터파 필터의 입출력 특성 및 필터 형태

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밀리미터파 필터는 실리콘 기반의 On-chip 형태, 저온 동시 소성 세라믹(Low Temperature Co-fired Ceramic: LTCC), microstrip 및 waveguide를 기반한 형태 등 다양하게 구현되고 있으며, 밀리미터파 신호를 이용하기 때문에 파장이 짧아서 (그림 4b)처럼 알루미나 박막 회로 기판(Alumina PCB) 형태로 필터 개발이 가능하다.

2. 밀리미터파 대역 RF 송수신기

기존 Digital Multimedia Broadcasting(DMB), WiFi, Bluetooth, Global System for Mobile communication (GSM), Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA), Long Term Evolution(LTE) 등의 다양한 서비스를 지원하는 멀티밴드 RF 송수신기의 활용이 일반화되면서 기지국용 RF 송수신기 부품 측면에서도 단일칩으로 2~3개 이상의 멀티밴드를 지원할 수 있는 고성능 다기능 집적회로 기술이 활발히 진행되고 있다. 다양한 이동통신 환경에서 사용자가 임의의 서비스를 선택할 수 있거나 최적의 서비스 사양을 선택할 수 있도록 가변 RF 중심 주파수, 가변 채널 대역폭, 가변 듀플렉싱 등의 서비스 환경에 따라 최적화시키는 RF 송수신기의 다양한 연구가 진행됐다.

최근 LTE-A 시스템에 사용되는 RF 송수신기 칩셋은 다양한 LTE 주파수 영역에서 동작하는 멀티밴드 칩셋에 대한 요구사항이 선택사항이 아니라 필수사항으로 변하고 있다. 따라서 LTE-A용 소형셀 기지국을 위한 RF 송수신기의 부품들이 멀티 밴드를 지원하는 동시에 TDD와 Frequency Division Duplex(FDD)의 통신방식을 모두 지원하도록 제품이 출시되고 있다. 밀리미터파 대역 RF 송수신기는 현재까지 제품으로 개발되어진 것은 없으나 다수의 칩셋 제조사에서 이동통신용으로 개발 중이며, 대부분이 빔포밍 어레이를 적용하는 구조를 채택하여 실리콘 공정으로 개발을 진행하고 있다.

3. 밀리미터파 배열 안테나

다수의 배열 안테나를 사용하는 빔형성 기술의 단점을 극복하기 위하여 단일의 지향성 안테나를 재구성하여 빔형성에 적용할 수 있는 기술로써 반도체 플라즈마 기반의 빔포밍 안테나 기술이 유망하다. 반도체 플라즈마 안테나 기술은 반도체 기판 상에 PIN 다이오드 셀을 다수 형성시킨 후, 원하는 셀에 전압을 가하여 활성화 상태로 변화시키면 도체와 유사한 전도성을 가지는 층을 구현할 수 있어 이를 밀리미터파 배열 안테나로 활용할 수 있다[5].

(그림 5)와 같이 반도체 플라즈마 안테나는 웨이퍼의 중앙에 급전을 형성하고 반도체 플라즈마 셀 리플렉터를 만들면 급전으로부터 방사된 RF 신호가 플라즈마 리플렉터에 반사된 후 빔을 형성하여 안테나를 구현할 수 있고, 전기적인 신호를 조절하여 패턴의 위치를 변화시킬 수 있으므로 실시간으로 빔의 방향, 폭, 이득 등을 자유롭게 조절 가능한 빔형성 안테나를 구현할 수 있다. 반도체 플라즈마 안테나의 다른 구현방법으로써 반도체 기판 상에 PIN 다이오드의 2차원 어레이를 형성한 후 다이폴 모양의 어레이 패턴을 활성화시키면 중앙의 급전으로부터 인가된 RF 신호가 방사되며 전기적인 신호를 조절하여 다이폴의 방향, 주파수 등을 자유롭게 조절 가능함으로써 다이폴뿐만 아니라 루프 안테나, 야기-우다 안테나 등 다양한 패턴의 구현이 가능하다. 이와 같이 반도체 플라즈마 안테나는 단일 안테나를 이용하여 자유로운 빔형성이 가능하고 이를 적층할 경우 동시에 다중빔을 형성할 수 있어 Massive Multiple Input Multiple Output(MIMO) 안테나의 실현이 가능할 뿐만 아니라 기존의 금속 배열 Massive MIMO 안테나에 비하여 점유 면적을 크게 감소시킬 수 있다.

(그림 5)

반도체 플라즈마 안테나 구조

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III. 국내외 기술동향

1. 국내 기술동향

가. 밀리미터파 대역 RF 전치단

1) 밀리미터파 전력 증폭기(PA)

한국전자통신연구원(ETRI)에서는 밀리미터 기반 5세대 이동통신 단말용으로 RF 전치단 모듈을 개발하고 있으며, 모듈을 구성하는 전력 증폭기 등의 핵심 칩셋은 외산 칩의 수입에 의존하고 있으므로 국내 기관 주도의 개발이 필요하다. 상기한 밀리미터파 RF 모듈을 이용하여 개인별 기가급의 5세대 이동통신 시스템의 연구 시제품을 개발하여 시연을 마쳤다. 이를 통하여 시스템 및 모듈 규격을 검증하였으며, 기존의 범용으로 개발된 밀리미터파 부품을 28GHz 대역의 이동통신 단말에 적합하도록 소비전력, 성능, 그리고 사이즈 등을 최적화할 수 있는 기술을 보유하고 있다[(그림 6) 참조].

(그림 6)

28GHz 대역 RF 전치단 모듈 및 액세스 시스템

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FCI는 단말 Radio Frequency Integrated Circuit(RFIC) 관련 기술을 축척하여 삼성전자에 LTE 스마트폰용으로 수천만 개를 공급하였으며, 상용 RF 칩셋 관련해서 국내에서 가장 우수한 기술을 보유하고 있다. 삼성전자에서는 2013년도에 28GHz 주파수를 사용한 송수신 시제품을 개발하여 통신 서비스 시연까지 하였으나, 상용화를 위해서는 지속적인 연구가 요구된다. ㈜밀리시스는 94GHz 대역의 고출력 증폭기 모듈을 개발하고 있으나, 단말용을 위한 밀리미터파 전력 증폭기 제품은 전무하다. 따라서 밀리미터파 전력 증폭기 연구는 주로 대학과 연구소에서 진행되고 있다.

2) 밀리미터파 저잡음 증폭기(LNA)

밀리미터파 LNA의 경우 28GHz를 타깃으로 하는 제품은 없으며 광대역으로 동작하는 범용성 제품이 있으며, 패키지가 완료되지 않은 소량의 시험용 제품이 주를 이르고 있다. GENMIX는 26.5~40GHz 동작 대역에서 30dB 이득과 5dB의 잡음 특성을 가지는 LNA 제품을 보유하고 있으며[6], 베렉스(BEREX)는 26GHz 동작 대역에서 7.85dB 이득과 5dB의 잡음 특성을 가지고 있는 GaAs LNA 제품을 보유하고 있다.

3) 밀리미터파 필터 및 Tx/Rx 스위치

밀리미터파 대역에서 동작하는 필터는 평면형(Planer Type) 필터, 캐비티(Cavity) 필터, 기판 집적형 도파관(Substrate Integrated Waveguide: SIW) 필터 형태가 주를 이루고 있다. 평면형 필터는 공진기 설계 시간이 길고, 높은 삽입 손실과 필터의 크기가 커지는 단점이 있다. 따라서 대부분 cavity나 waveguide 구조[(그림 7) 참조]로 구현된 필터를 사용한다. 현재 주파수 특성과 파워가 우수한 금속의 캐비티 필터는 ETRI와 고려대학교에서 개발하고 있다. SIW 필터는 3차원 도파관을 유전 기판에 내장한 평면 도파관으로써 금속판들 사이에 위치한 유전 기판에 따라 설치된 전도성 중공 원통으로 구성되어 있다. 국내에서는 ㈜KMW, (주)유텔, ㈜브로던이 밀리미터파 대역 통과 필터를 개발하고 있으나, 위성 및 군사용으로 개발하고 있어 현재 국내에서 이동통신 RF 시스템에 적용되는 밀리미터파 대역 통과 필터는 전무한 상태이다. Tx/Rx 스위치는 국내 기업에서는 현재 연구개발이 미미한 수준으로 판단된다.

(그림 7)

Cavity 및 SIW 필터 구조

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나. 밀리미터파 대역 RF 송수신기

ETRI는 2012년 User Defined Multi Radio(UDMR) 칩셋을 통하여 LTE 단말기용 다중밴드 통합 칩을 개발하였고, MIMO 통신이 가능하도록 1TX, 2RX 구조로 설계한 LTE용 모뎀과 연동하여 데이터 전송과 LTE 통신 시스템에 적합성 시험을 검증하였다. 기존 아날로그 도메인에서 처리되었던 RF 기술을 디지털 도메인에서 처리하는 기술이 개발되면서 RF에서 해결하기 어려운 기술적 한계를 극복하기 위한 연구가 계속적으로 진행되어 국내 RF 칩셋 기관인 ETRI 및 FCI는 기존 WiFi와 LTE를 지원하는 다중모드 RF 송수신기 칩셋을 출시하고 있지만, 아직은 LTE-A 시스템에 필요한 Carrier Aggregation(CA) 기능을 지원하는 RF 송수신기 개발이 미비한 상태이다.

다. 밀리미터파 배열 안테나

현재 국내에서 밀리미터파 대역의 반도체 플라즈마 안테나 관련 연구는 전혀 진행되고 있지 않으며, 플라즈마 기반의 안테나 기술은 세계적으로도 연구 그룹이 극히 드물뿐만 아니라 구현 수준이 아직 초보적인 단계에 있는 원천 기술이다. 단일 안테나를 이용한 빔형성, 재구성, 주파수 호핑 등의 종래 기술은 다수의 복사 소자, 개별 능동 RF 회로 소자 혹은 스위치 등을 이용하여 구현하였으나, 이러한 특성을 안테나 하나에 통합한 기술은 아직 국내에서 구현한 적이 없다.

2. 국외 기술동향

가. 밀리미터파 대역 RF 전치단

1) 밀리미터파 전력 증폭기(PA)

미국의 Qorvo사는 밀리미터파 대역의 소형 전력 증폭기의 다양한 제품군을 개발하여 보유하고 있으며, 제품군은 주파수 27~83GHz, 출력이 약 9W 이내에서 고르게 분포하고 있고, 소자는 주로 0.15µm GaAs pseudo-morphic High Electron Mobility Transistor(pHEMT)와 0.15µm GaN HEMT이다[7]. Hittite사를 인수한 ADI에서는 27.5~31GHz에서 최대 2W의 전력을 가지는 GaAs pseudomorphic Optocoupler Electron Mobility Transistor(pOEMT) 기반의 밀리미터파 전력 증폭기 제품을 개발하였으나[8], 선형성이 좋지 못하여 셀룰러 통신에서 요구하는 -35dBc의 인접 채널 누설비(Adjacent Channel Leakage Ratio: ACLR)를 확보하기 어렵다. SiBeam사는 CMOS 기반 밀리미터파 RFIC를 개발해 송신 모드에서 36개의 PA를 구동시켜 위상 천이기를 이용한 빔 집속에 의해 최대 27dBm의 출력이 가능한 어레이 송수신 칩셋을 시연하였으나, 다수의 전력 증폭기와 위상 천이기를 구동하기 위하여 과다한 전력 소모가 발생하는 문제가 있었다.

유럽은 에릭슨 주도의 Mobile and Wireless communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society(METIS) 프로젝트를 통하여 밀리미터파 관련하여 선도적 기술 개발을 진행하고 있다. 일본은 초고주파 대역 활용에 적극적이어서 NTTDoCoMo사에서는 11GHz 주파수를 이용한 10Gbps 급 패킷 송수신을 시연하였으며, 후지쯔 등과 함께 국제 표준화 기구인 3GPP에서 밀리미터파 기반 이동통신 표준화 추진을 제안했다.

2) 밀리미터파 저잡음 증폭기(LNA) 및 Tx/Rx 스위치

Analog Device사는 24~28GHz 동작대역에서 25dB의 이득과 2.5dB의 잡음 지수를 가지는 HMC752 GaAs LNA 제품을 보유하고 있다[9]. 또한, 2.4dB의 삽입 손실을 가지며 34dB의 격리도를 제공하는 DC-28GHz에서 동작하는 GaAs SPDT(Single Pole Double Throw) 스위치 제품을 보유하고 있다. Qorvo사는 DC-32GHz 동작대역에서 15dB의 이득과 3dB의 잡음 지수를 가지는 GaAs LNA 제품을 보유하고 있다. 아울러 0.9dB의 삽입 손실을 가지며 27dB의 격리도를 제공하는 27~ 46GHz에서 동작하는 GaAs SPDT 스위치 제품을 보유하고 있다. MACOM사에서는 22~38GHz 동작대역에서 19dB의 이득과 2.5dB의 잡음 지수를 가지는 GaAs LNA 제품을 보유하고 있다. 그리고 26~40GHz에서 동작하는 GaAs SPDT 스위치 제품을 보유하고 있다.

3) 밀리미터파 필터

미국 millitech, Fairview microwave, ServSat commu-nications, K&L microwave, A1 microwave 등에서는 도파관 형태의 mmWave 필터를 개발하였고, 주요 특징으로는 1.5dB 이하의 삽입 손실, 30dB 이상의 감쇄, 1~10GHz의 대역을 가지고 있다. 캐나다 Toronto 대학, 중국 Southeast 대학과 Shanghai 대학, 호주 Melbourne 대학, 대만 Taiwan 대학 등에서 도파관 및 microstrip 형태의 mmWave 필터를 활발히 연구하고 있으며, 저 삽입 손실/고감쇄 특성/소형화 구현 등을 목표로 개발하고 있다. Avago, Triquint 등 북미 업체들은 Bulk Acoustic Wave(BAW) 필터 제품 시장을 주도하고 있으며, 높은 시장 점유율을 확보하고 있다. 그리고 Keysight Tech. 사도 상당수의 관련 특허를 보유하고 있다.

나. 밀리미터파 대역 RF 송수신기

브로드컴은 4G/LTE 마이크로웨이브 백홀을 위한 시스템 온 칩(System on Chip: SoC)인 BCM85620을 2011년 말에 발표하여 업계 최초로 모뎀과 네트워크 프로세서를 하나의 통합칩으로 발표하였으며[10], 1.25Gbps의 처리량 및 기존의 솔루션보다 25% 높은 용량을 제공한다. 퀄컴은 소형셀 도입을 가속화시키고자 자사의 소형셀 칩셋 제품군을 기반으로 알카텔-루슨트의 차세대 소형셀 제품을 공동 개발하기 시작하여 신규 솔루션을 2014년 시범망에 적용하여 2015년 1분기 상용화하였다. 최근 ADI사는 AD9361 광대역 RF 송수신기 제품을 양산 중이며, Maxim에서는 MAX2580 소형셀용 송수신기를 발표하였다. 현재 국내에서 개발 중인 소형셀 기지국도 상기 두 제품을 주로 사용하고 있다.

다. 밀리미터파 배열 안테나

영국의 Plasma Antennas, Ltd.는 실리콘 기판 기반의 플라즈마 안테나 관련 기술을 선도하고 있는 기업으로 주요 특허 4건 이상 등록하였으나, 논문은 발표하지 않았다. 플라즈마 셀을 Parabolic Reflector로 활용한 Guided-Wave 방식의 Antenna 기술에 집중하고 있으며, 5~40GHz에 이르는 다양한 주파수 대역에서 연구 및 시제품 개발하였다. 그리고 University of St Andrews에서는 실리콘 기판에 빛을 쬐는 방식으로 패턴을 형성하여 이를 빔 형성에 응용하는 연구를 발표하고 있으나, 아직 실험 단계이며 주로 100GHz 이상의 고주파 영역에서 응용할 수 있다.

미국의 Sarnoff Corporation은 실리콘 PIN Diode를 이용하여 플라즈마 안테나의 구현 가능성을 검증하는 내용의 국제저널 IEEE TMTT에 발표 및 관련 기술 주요 특허 3건 등록하였으며, 평면형 구조의 Surface PIN Diode를 이용하여 재구성 가능한 Dipole 안테나를 제작하여 동작을 검증하였다.

IV. 국내외 시장동향

1. 국내 시장동향

가. 밀리미터파 대역 RF 전치단

5세대 이동통신 시범 서비스가 2018년 시작을 목표로 하여 아직은 관련 시장이 형성되어 있지 않은 상태이므로 주요 시장전망 자료들은 현재의 3세대/4세대 이동통신 장비 시장규모로부터 진화 과정을 추정하여 기존의 이동통신용 단말 및 RF 부품 제조업체를 중심으로 예상해보면 초기에는 밀리미터파 도입에 적극적인 삼성으로부터 수요가 발생해서 다수의 단말 제조업체로 수요가 확대 가능할 것으로 예상된다.

나. 밀리미터파 대역 RF 송수신기

SKT가 2013년에 LTE 펨토셀을 상용화하여 2014년 이후는 저비용의 소형셀 기지국을 3G/LTE 50,000개 펨토셀 확대 투자를 계획하고 있으며[11], KT는 2013년에 광대역 LTE 홈 펨토셀을 개발하여 공공장소 등에 서비스를 시작하였고, 2014년까지 18,000개 소형셀 기지국을 계획하고 있다[12]. LGU+도 2013년 최초의 LTE기반 피코셀을 개발하여 서울 및 광역시 등 데이터 집중지역부터 본격적으로 구축하여 계속적으로 전국에 걸쳐 확대하고 있다[13]. 이처럼 국내 통신 사업자들은 이미 소형셀에 대한 국내망 설치에 대해서 본격적으로 사업화에 진입하였으나, 이에 비해 국내 RF 송수신기 업체의 개발은 미비하여 대부분의 부품을 해외 업체에 의존하고 있다.

다. 밀리미터파 배열 안테나

기존의 금속 안테나를 이용한 빔포밍의 문제점을 개선하면서 본 기술이 적용된 반도체 플라즈마 안테나 기반 시장이 형성될 것으로 전망된다. 본 기술은 2018년 이후 개화될 5세대 시장에 적용될 것으로 현재 시장이 형성되어 있지 않은 상태이며, 대신 현재 이동통신 단말 및 기지국 장비 안테나 시장규모를 제시한다.

Gartner와 Infonetics Research에서는 이동통신 단말 및 기지국 장비 안테나의 국내 시장은 연평균 3.5%의 마이너스 성장률을 보이며, 국내 시장규모는 2013년 5,955억원에서 2015년에 5,310억원, 2018년에 4,971억원, 2020년에는 5,220억원의 시장을 형성할 것으로 전망된다.

2. 국외 시장동향

가. 밀리미터파 대역 RF 전치단

밀리미터파 기반 5세대 단말 칩셋 해외 시장규모는 2020년 11억달러 규모에서 2026년 280억달러 규모로 성장할 것으로 전망된다. 상기한 단말 칩셋 시장규모로부터 RF 전치단 시장규모를 추정하면 단말 칩셋의 20%를 가정할 때 2021년 4억불 규모로 전망되며, 산출 근거는 Gartner에서 발표한 현재의 4G 이동통신 단말 및 기지국 시장규모를 기준으로 3세대에서 4세대 LTE로의 진화 패턴을 적용하여 전망한 것이며[14], 현재의 3세대 및 4세대 이동통신 단말, 기지국 장비, 서비스 시장규모는 2013년 14,448억달러에서 2018년 약 16,892억달러의 시장으로 연평균 3.2% 성장할 것으로 예상된다.

나. 밀리미터파 대역 RF 송수신기

ABIresearch에 따르면 세계적으로 2019년경에는 소형셀 기지국이 적어도 약 2천8백만대 기지국이 설치될 것으로 예상한다. 세계적으로 소형셀 칩셋 가격은 계속해서 하락 추세를 보일 것으로 전망하나, Access Point(AP) 수와 기지국 수의 증가로 이러한 부분이 상쇄될 것으로 전망한다. 따라서 소형셀용 RF 송수신기 칩셋 시장은 AP 수가 급격히 증가함과 동시에 많은 매출을 창출할 수 있는 새로운 시장을 형성할 수 있는 중요한 영역이다. 이미 해외 주요 칩셋 회사인 브로드컴, 퀄컴, TI 등은 소형셀 용 RF 송수신기 칩셋을 개발하고 있으며, 이미 다수의 RF 송수신기 칩셋이 시장에 이미 출시되고 있다.

다. 밀리미터파 배열 안테나

이동통신 단말 및 기지국 장비 안테나의 세계 시장은 2015년에 14.6조원의 시장에서 2018년에 16.3조원, 2020년에는 18.8조원 시장이 형성될 것으로 예상된다. 2014년에 보고된 KOTRA의 미국 안테나 시장동향 보고서에 따르면, 미국의 안테나 수입은 2013년 기준 9억 2백만달러로 전년대비 8.3% 감소하며[15], 중국이 전체 수입 시장의 35% 이상을 점유하고 있다.

V. 결론

본고에서는 밀리미터파 기반 5세대 이동통신 RF 기술/시장동향을 살펴보았다. 개인별 기가급 모바일 서비스를 제공할 수 있는 밀리미터파 기반 5세대 이동통신 RF 시장이 성장하기 위해서는 국내 산업계, 학계, 연구계가 밀리미터파 배열 안테나, 밀리미터파 대역 RF 전치단, 밀리미터파 대역 RF 송수신기 등의 부품 개발 기술을 국내 단말 제조업체에 적용하여 모바일 시장의 국내 RF 기술 선점 및 해외 시장의 선점과 국내 IT 기술의 위상을 높이며, 특히 RF 핵심 부품의 국산화로 차세대 이동통신의 핵심 기술을 확보하여야 한다. 이로 인한 고용 창출 효과를 증대할 수 있으며, 아울러 5세대 이동통신 산업의 본격적인 창출에 기여하여 비용 절감, 수입 대체, 일자리 창출 등의 파급효과를 가져올 것으로 기대된다.

용어해설

밀리미터파(mmWave) 밀리미터파(mmWave) 기술 30~300GHz의 Extremely High Frequency(EHF) 주파수 대역을 이용하여 1GHz 이상의 넓은 대역폭을 확보하고, 1~10mm의 파장을 제어하여 초대용량의 멀티미디어 정보의 초광대역 전송이 가능하기 때문에 High Definition TeleVision(HDTV)를 비롯한 점대점 무선고정통신 및 100m 이내 근거리 통신의 활용 가능성이 예상되고 있다. 아울러 파장이 짧아 안테나와 송수신장치의 소형화가 가능하여 각종 밀리미터파 무선통신 관련 부품 및 모듈 개발이 기대되고 있음.

약어 정리

ACLR

Adjacent Channel Leakage Ratio

ADC

Analog to Digital Converter

AP

Access Point

BAW

Bulk Acoustic Wave

BPF

Band Pass Filter

CA

Carrier Aggregation

CMOS

Complementary Metal Oxide Semiconductor

DAC

Digital to Analog Converter

DMB

Digital Multimedia Broadcasting

EER

Envelope Elimination and Restoration

EHF

Extremely High Frequency

ET

Envelope Tracking

FDD

Frequency Division Duplex

GSM

Global System for Mobile communication

HDTV

High Definition TeleVision

IT

Information Technology

LINC

Liner Amplification using Non-linear Components

LNA

Low Noise Amplifier

LPF

Low Pass Filter

LTCC

Low Temperature Co-fired Ceramic

LTE-A

Long Term Evolution-Advanced

METIS

Mobile and Wireless communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society

MIMO

Multiple Input Multiple Output

MMIC

Monolithic Microwave Integrated Circuit

PA

Power Amplifier

PAPR

Peak to Average Power Ratio

PCB

Printed Circuit Board

pHEMT

pseudomorphic High Electron Mobility Transistor

pOEMT

pseudomorphic Optocoupler Electron Mobility Transistor

PLL

Phase Locked Loop

RFIC

Radio Frequency Integrated Circuit

RF

Radio Frequency

SIW

Substrate Integrated Waveguide

SoC

System on Chip

TDD

Time Division Duplex

UDMR

User Defined Multi Radio

VCO

Voltage Controlled Oscillator

VGA

Variable Gain Amplifier

WCDMA

Wideband Code Division Multiple Access

WLAN

Wireless Local Area Network

[1] 

https://en.wikipedia.org/wiki/shannon-hartely_theorem

[2] 

M. Tesanovic and M. Nekovee, “mmWave-based Mobile Access for 5G : Key Challenges and Projected Standards Regulatory Roadmap,” IEEE GLOBECOM, Feb. 23rd, 2016.

[3] 

Gao,X, “Broadband (22-40 GHz) multistage MMIC low-noise amplifier,“ Microwave and Optical Technology Letters, vol. 58, 1 April 2016, pp. 956-959.

[4] 

X. Li et al., “A Quad-Band Doherty Power Amplifier Based on T-Section Coupled Lines,“ IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 26, no. 6, June 2016, pp. 437-439.

[5] 

J. Sun, Y. Xu, and H. Sun, “Experience on Plasma Antenna Technology,” Asia-Pacific Microwave Conference(APMC), vol. 2, 2015, pp. 1-3.

[6] 

http://www.berex.com/Products/LowNoiseAmplifier.aspx

[7] 

http://www.triquint.com/products/all/discrete-transistors/gaas-phemts

[8] 

http://www.analog.com/en/products/amplifiers/rf-amplifiers/ hmc7441.html/product-overview

[9] 

http://www.analog.com/en/products/amplifiers/rf-amplifiers/ low-noise-amplifier.html

[10] 

케이벤치, “브로드컴, 업계 최초 1.25Gbps 4G/LTE 마이크로웨이브 백홀 SoC 출시,”" 2011. 1. 3.

[11] 

셀룰러 뉴스, “SKT, LTE 펨토셀 최초 상용화,” 2012. 6. 4.

[12] 

A-NEWS, “KT, 광대역 LTE 홈펨토셀 상용화 서비스,” 2013. 11. 2.

[13] 

LG유플러스, “LG유플러스, 국내최초 LTE 소형 기지국 피코셀 상용화,” 2013. 2. 21.

[14] 

첨단신기술정보분석연구회, “차세대 이동통신 LTE 시장동향과 기술개발 전략,” 진한M&B, 2011. 5. 27.

[15] 

임소현, “미국 안테나 시장동향,” KOTRA 해외 비즈니스 포털, 2014. 3. 31.

(그림 1)

밀리미터파 기반 이동통신 RF 구성도

images_1/2016/v31n5/ETRI_J003_2016_v31n5_41_f001.jpg
(그림 2)

밀리미터파 2단 도허티 전력 증폭기 블록도

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(그림 3)

밀리미터파 대역 LNA 및 Switch 회로

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(그림 4)

밀리미터파 필터의 입출력 특성 및 필터 형태

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(그림 5)

반도체 플라즈마 안테나 구조

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(그림 6)

28GHz 대역 RF 전치단 모듈 및 액세스 시스템

images_1/2016/v31n5/ETRI_J003_2016_v31n5_41_f006.jpg
(그림 7)

Cavity 및 SIW 필터 구조

images_1/2016/v31n5/ETRI_J003_2016_v31n5_41_f007.jpg
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