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[기획] 5G 이동통신 핵심 ‘빔포밍’ 눈길
[기획] 5G 이동통신 핵심 ‘빔포밍’ 눈길
  • 김연균 기자
  • 승인 2019.05.22 09:19
  • 댓글 0
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신호 단계·진폭 수정…전달속도 개선

5세대 이동통신 기술이 발달함에 따라 고집적, 고효율의 RF 코어의 집적회로가 요구되고 있다.

기존의 통신 칩들의 경우 DAC(Digital to Analog Converter), 저대역 필터, 믹서, VGA(Variable Gain Amplifier), PA(Power Amplifier) 등이 RF 송신기의 핵심 요소였다. 또 수신기는 헤테로다인 구조와 이득변환기, ADC(Analog to Digital Converter)를 이용하는 구조가 이용되고 있다.

이동통신이 더 높은 집적도와 저가의 설계를 요구하면서 이런 송수신기의 구조에 점점 단순화가 필요해지고 있으며 디지털화가 진행되고 있다.  

■5세대 이동통신 핵심 ‘빔포밍’

5세대 이동통신 기술의 핵심요소는 빔포밍이다. 빔포밍 기술은 아날로그 빔포밍과 전디지털 빔포밍, 그리고 이 둘을 적절하게 섞은 하이브리드 빔포밍 방식으로 나뉜다.

아날로그 빔포밍은 1개의 RF 체인과 함께 다수의 위상 천이기 및 신호 감쇠기로 구성되는 송신 및 수신 시스템 구조로 돼 있다. 개별 안테나마다 연결되어 있는 위상 천이기와 신호 감쇠기의 위상 및 진폭 값을 각각 변화시켜 빔의 방향과 모양을 형성하는 방식이다.

이러한 아날로그 빔포밍 기법은 위상 천이기의 제한적인 해상도 특성과 비싼 부품 가격 문제로 인해 시스템 성능과 경제성 측면에서 매우 취약하다. 또한 고용량을 위한 공간 멀티플렉싱 전송 기법과 구조적으로 어울리지 않는 형태다.

이에 반해 전디지털 빔포밍 방식은 개별 안테나마다 RF 체인이 연결되는 특징을 가지고 있다. 위상 천이기 혹은 신호 감쇠기와 같은 RF 회로들이 사용되지 않는 모습을 확인할 수 있다. 이러한 시스템 구조를 기반으로 하는 디지털 빔포밍 기법은 RF 단에서 신호의 위상과 진폭을 변화시키는 것이 아니라 기저대역에서 디지털 신호처리를 통해 신호의 위상 및 진폭을 변화시키게 된다.

또한 디지털부에서 모든 안테나로 가는 각각의 신호들에 대한 위상과 진폭을 개별적으로 제어할 수 있어 이론적으로는 안테나 개수와 동일한 수의 빔을 동시에 만들 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 개별 안테나마다 DAC-저대역 필터-믹서로 구성되는 RF 체인이 요구된다는 사항은 보다 작은 부피에 보다 많은 수의 안테라를 집적해야 하는 5세대 밀리미터파 통신시스템의 관점에서는 개선이 필요하다.

한편 하이브리드 빔포밍 기술은 안테나 수보다 적은 수의 RF 체인을 사용하고 있고, 기저대역에서의 디지털 빔포머와 RF 대역에서의 아날로그 빔포머를 동시에 활용할 수 있는 형태다. 아날로그 빔포밍과 기존 디지털 빔포밍 방식을 적절하게 섞은 형태라 할 수 있다.

이러한 하이브리드 빔포밍 방식은 기존 디지털 빔포밍의 시스템 부피 및 전력소모 문제를 개선하고자 RF 체인의 수를 줄이는 이점을 취했으나, 여전히 위상 천이기 및 감쇠기를 사용함에 따라 설계 관점에서 많은 제약사항이 따른다.

■전디지털 방식, 설계·주파수 활용에 유리

5세대 이동통신 시스템은 수천~수만명에게 월등히 향상된 전송 용량 특성을 지원해야 한다. 이를 위해서는 다중 사용자 Massive MIMO 기술이 반드시 필요하다. 이를 가능하게 하는 핵심 기능이 바로 다중 빔(Multi-Beam)이다. 다중 빔 형성 관점에서 기존의 하이브리드 빔포밍 방식 대신 직접-변조 RF 기술을 탑재한 전디지털 빔포밍 방식이 여러 이점을 가지고 있다.

RF 단의 설계 복잡도 측면에서 보면 하이브리드 빔포밍 방식은 통상적으로 서브 어레이 형태로 구성된다. 이때 빔의 개수가 N개, 각 빔마다 MIMO 스트림의 개수가 M개, 각 서브 어레이 내에 안테나가 L개가 사용된다고 정의한다면 필요한 총 서브 어레이의 개수(또는 RF 체인 개수)는 M×N개이고, 필요한 총 안테나 개수는 M×N×L개이다.

이에 반해 전디지털 빔포밍 방식은 디지털에서만 빔포밍 처리를 수행하므로, 필요한 빔포밍 칩의 개수가 안테나의 개수 L개만 있으면 되기 때문에 하이브리드 빔포밍에 비해 RF단의 복잡도가 1/(M×N)배 만큼 줄어들게 된다. 즉, 전디지털빔포밍 방식은 각 안테나에서 디지털 신호를 아날로그 신호로 바로 변조해 완전한 디지털 형태의 빔포밍 시스템을 구성함으로써 시스템의 복잡도를 줄이고 많은 빔과 함께 유연한 망 구성이 용이하다는 장점이 있다.

주파수 선택적 채널 활용 관점에서 살펴보면 하이브리드 빔포밍 기법은 위상 천이기와 감쇄 같은 아날로그 회로를 통해서 빔포밍 위상·진폭 제어를 수행하므로 각각의 주파수 자원마다 개별적으로 채널 지원을 할 수가 없어 현재 널리 활용되는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 전송 기법을 효과적으로 사용할 수 없다.

전디지털 빔포밍 방식은 디지털 단에서 빔포밍 위상·진폭 제어를 수행해 주파수-선택적인(frequency-selective) 채널 지원이 가능하다. 즉, 사용자의 채널 환경에 맞도록 부반송파별로 각기 다른 정보신호를 전송하는 빔포밍이 가능하게 된다.

전디지털 빔포밍은 안테나의 개수만큼 많은 수의 DAC, 믹서, ADC가 요구되기 때문에 이로 인한 크기 증가와 에너지 손실, 그 중에서도 특히 에너지를 많이 소모하는 블록인 ADC의 에너지 손실이 큰 영향을 미치게 된다. 그러나 최근 CMOS 공정의 발전으로 에너지 소모량이 감소하면서 디지털 RF 칩의 구현이 현실화 되고 있다.

송신부의 경우 DAC, 믹서가 아날로그 빔포밍에 비해 개수가 많아지는데 이 문제는 디지털 RF를 통해 개선할 수 있다. 이를 통해 각 채널마다 존재하는 DAC부터 PA까지의 블록을 DRFC와 PA의 두 개 블록으로 대체할 수 있다. 이런 방식은 칩의 크기를 줄여 어레이로 인한 가격 증가 문제와 에너지 소모 문제를 크게 완화시킬 수 있다.


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