1. 커버리지의 감소
- 주파수가 올라감에 따라 경로 손실, 벽/강우/수목에 의한 투과 손실, 반사손실 또한 증가한다. 매질 고유의 유전율/loss tangent 특성에 의해 Free space path loss (FSPL) 또한 주파수의 제곱에 비례하는 관계를 가지기 때문이다.
- 주파수가 올라감에 따라 전파의 직진성이 강해지고 회절성이 약해져서 legacy 대비 음영지역이 많이 발생하여 기지국을 촘촘하게 배치하는 스몰셀 기술이 연구되고 있다.
- 위 두 가지 이유로 5G에서는 sub-6 GHz 대역 기반 전국망 구축 이후 28GHz 대역은 트래픽 밀집 지역에 백홀용 또는 인빌딩 솔루션으로 이용될 것으로 전망된다. 현재 기술 수준에서 mmWave 채널 환경은 LoS가 기본으로 전제되며, 셀의 크기가 커질수록 NLoS로 간주되나 현실적으로 높은 손실로 인해 mmWave에서의 NLoS 채널은 매우 열악하다.
- 아래 측정 실험 결과를 보면 같은 거리에서 2 GHz 대비 28 GHz에서는 약 20 dB 가량의 FSPL 차이가 발생하는 것을 볼 수 있다. [1]
- LoS 상황이 주가 되는 이유 : 주파수가 높아질수록 회절성이 적기 때문에 multi path 감소로 비가시 거리에서는 충분한 SNR 확보가 되지 않아 원활한 통신이 불가능하다. 또한 이동하는 UE에 대해 adaptive beamforming이 가능해야 하는데 실시간 UE 센싱, 다중 UE 처리 등 해결해야할 난제들이 많기 때문에 아직까지는 LoS 상황에서 주로 mmWave radio가 운용되고 있다.
2. 경로 손실 극복 및 선로 손실 최소화를 위한 설계 철학
- Legacy 대역 대비 높은 경로 손실을 극복하기 위해 안테나 배열 이득 확보가 필수적이다. 안테나의 수가 증가함에 따라 동반되는 안테나 커플링 문제와 side lobe, grating lobe 저감을 위한 tapering 기법이 활발히 연구되고 있다.
- AoS (Antenna on Substrate), AiP (Antenna in Package) 등 안테나와 RFIC 간의 거리를 최소화하기 위한 시도가 이뤄지고 있다. [2] PCB 상 고주파 신호의 line loss가 커지면서 구조에 따라 절반 이상의 전력을 깎아먹기도 하여 적절한 feeding network 설계 또한 중요한 연구 테마로 떠오르고 있다.
3. RFIC 설계 난이도 및 복잡도 증가
- 기존 CMOS technology 기반으로 고주파 대역에서는 출력 파워의 한계가 존재한다. 한계 극복을 위해 SiGe BiCMOS 혹은 3/5족 계열 GaAs, GaN technology가 후보로 거론되어 오고 있다.
- 주파수/출력 파워는 공정과도 연관되어 있으며 공정의 scale이 낮을 수록 가용주파수는 높아지지만 공정 별 한계가 존재하는데, 이러한 RF side의 접근으로는 THz gap 이라고 불리는 100~300 GHz 정도의 주파수 대역이 상한이라는 관측이 있다.
- HW complexity를 낮추기 위해 low bit phase shifter, low bit ADC를 활용하여 디지털 단으로 load를 넘겨주는 구조 (ex. Full-digital 빔 포밍, Digital RF, DRFC 등)가 제안되고 있다.
4. 높은 전력 소모량과 발열 문제
- 발열 문제는 28 GHz 빔 포머 설계 시 필드에서 발생되는 가장 주요한 이슈이다. 고주파, 고출력을 다루기 위해 ADC의 sampling rate, PA의 gain을 높이면서 전력 소모와 발열 문제가 더욱 심각해진다. 시스템 구조 상 전력 소모량을 최소화를 위해 빔 포머의 architecture (analog/digital/hybrid)에 대한 연구가 진행되고 있다. 하드웨어 측면에서 발열 문제 해결을 위해 Antenna-RFIC-Heat sink를 아래 사진과 같이 하나의 집적화된 모듈로써 설계하여 실제 단말의 28 GHz 솔루션으로 적용되고 있다. [3]
5. 안테나 및 소자 폼팩터 소형화 가능성
- LTE 대역 안테나 설계 시 제한된 공간 내에서 안테나 사이즈에 대한 제약이 존재했으나, 28 GHz 기준 반 파장은 5mm 정도로 짧기 때문에 안테나 타입 등에 있어서 비교적 높은 설계 자유도를 가질 수 있다. 작은 사이즈로 인해 배열화에도 유리하다.
- 빔이 전 방향을 커버하기 위해 최적의 안테나 개수 및 배치 선정이 필요하며 안테나 수/배치에 따라 spherical coverage가 달라져 송수신 확률이 결정된다.
6. 높은 민감도
- mmWave 대역에서는 안테나 외부를 둘러싸는 플라스틱 구조물에 의한 영향에 대해 민감해진다. 기존 낮은 대역에 비해 PCB와 하우징 또는 레이돔 간에 반사파 성분이 만들어내는 surface wave에 의한 문제가 더욱 심각해진다. Surface wave가 야기하는 공진 주파수 shifting, boresight error, 빔 패턴 왜곡 등이 곧 SNR 감소로 직결되어 커버리지를 더욱 제한한다.
- mmWave RFIC 설계 시 패키지나 본딩에 의해 손실이 상당히 크게 발생하고 작은 변화에도 저주파 대비 임피던스 매칭이 쉽게 깨지는데, 주파수가 높아짐에 따라 capacitance가 커지게 되어 선로 간 커플링이 강해지기 때문이다.
- 측정 시 약간의 흔들림이나 커넥터/케이블 건드림 등에 의해서 측정 결과가 크게 바뀌기 때문에, 테이프로 고주파 케이블을 테이블에 고정시켜 놓고 측정하는 것을 권장한다.
- RF 소자는 파장 대비 크기 즉, 전기적인 크기가 중요하므로 같은 공차를 갖는 공정이더라도 공차에 의한 영향은 주파수가 높을수록 커진다. 즉 매우 민감하다.
7. mmWave의 인체 영향성
- 빔 포밍으로 집중된 높은 출력의 전력을 방사하는 경우, 사람을 회피하는 것이 어렵기 때문에 전자파의 인체 영향성에 대한 우려가 존재한다. 높은 감쇠는 곧 높은 흡수율을 의미하기 때문에 legacy 대역 대비 동일 전력 기준 인체에 흡수되는 양 (SAR) 또한 크다고 볼 수 있다. 단 위험성에 대해서는 skin depth, 인체 조직의 공진 주파수 등 여러 가지가 고려되어야 하므로 단순히 mmWave가 더 크다고 단정 지을 수는 없다.
- 빔 포밍을 하더라도 EIRP는 spec에 의해 여전히 제한되어 있고 아직까지 mmWave 전파와 질병 간의 직접적인 상관관계에 대해서는 academia에서 명확히 규명된 바 없다.
8. 새로운 측정 파라미터, spherical coverage
- 5G FR1 대역에서는 기존 LTE 때와 비슷한 방식으로 전파 측정이 이루어지지만, FR2 mmWave 에서는 기존 LTE 에서 이용되던 TIS, TRP와는 다른 CDF (Cumulative Distribution Function, 또는 Distribution Function)를 측정 파라미터로서 이용한다. FR2 대역에서는 transceiver와 안테나가 결합된 AiP와 같은 형태로 통합되기 때문에 안테나 입력 포트에 커넥터를 직접 연결하기 불가능하여 OTA (Over-the-air)로 측정을 수행한다.
- FR2 대역 안테나 측정은 빔포밍 시 구(球)의 각 지점에서 EIRP (Effective Isotropically Radiated Power) maximum transmit power를 누적하여 계산하는 방식으로 EIRP spherical coverage라고도 표현한다. 즉 여러 set의 생성된 빔 방향에서의 peak 지점들을 연결하여 표현한 것이 아래 figure 5의 그림이다. 이는 기지국을 향해 빔의 지향이 얼마나 잘 이루어지는지를 통계적으로 보여주기 위한 지표이다.
- 이외의 5G mmWave 안테나 측정 관련 사항들은 3GPP 38.810 표준에 정리되어 있다.
References
[1] S. Sun et al., "Investigation of Prediction Accuracy, Sensitivity, and Parameter Stability of Large-Scale Propagation Path Loss Models for 5G Wireless Communications," in IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 65, no. 5, pp. 2843-2860, May 2016, doi: 10.1109/TVT.2016.2543139
[2] Hong W. Millimeter-Wave Antennas and Arrays. In: Chen Z., Liu D., Nakano H., Qing X., Zwick T. (eds) Handbook of Antenna Technologies. Springer
[3] https://www.youtube.com/watch?v=AV_C-VTNqU4&t=96s
[4] Y. Yin, B. Ustundag, K. Kibaroglu, M. Sayginer and G. M. Rebeiz, "A Bidirectional 36 Gbps Connectorless Connector at 2-4 cm Using a 28 GHz 2×2 Phased-Array with Position-Offset Compensation," 2019 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS), Boston, MA, USA, 2019, pp. 1084-1087, doi: 10.1109/MWSYM.2019.8701061
[5] Seongjae Kim, et al, "Method for calibrating an array antenna in a wireless communication system and apparatus thereof", US Patent 16/926,539 (2021)
[6] https://blog.naver.com/3dskorea/221983000994
[8] Sano Y et al., "5G radio performance and radio resource management specifications," NTT docomo technology reports
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