5G란 무엇일까요? 왜 많은 안테나가 필요할까요?


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5G를 활용한 더 빠르고 서로 더욱 연결된 미래에 대해 흥미로운 이야기가 많습니다. 하지만, 많은 제품 디자이너에게 5G라는 용어의 정의는 명확하지 않습니다.

5G는 우리가 알고 있는 기존의 모바일 통신과 거의 관련이 없습니다. 4G와 같은 기존 기술과 달리 5G는 균일한 네트워크가 없습니다. 5G는 이전 기술의 진화 그 이상이며, 다양한 애플리케이션을 위한 새로운 네트워크 집합입니다.

5G 표준이 보장하는 성능은 훌륭합니다. 최대 20GB/s의 속도와 신호 전달 시간(대기 시간)의 최소화, 영역당 다수의 동시 모바일 장치를 통해 모든 무선 환경이 즉각적으로 보이고 새로운 애플리케이션들을 가능하게 합니다. 일부 사람들에게는 더 빠른 비디오 스트림과 더 현실적인 게임 경험 외에 변한 것이 없겠지만, 실제로는 더욱 발달된 여러 활용 사례가 발견되고 있습니다.

그렇다면 5G란 무엇일까요? 그리고 이 기술을 활용하기 위해 설계자와 엔지니어는 무엇을 알아야 할까요?

5G 표준화 프로세스

5G는 다양한 네트워크, 기술 및 애플리케이션을 포괄하는 용어로, 모바일 통신을 위한 표준입니다. 5G라는 명칭은 국제전기통신연합(ITU)에서 ‘제5세대 이동통신 시스템’으로 명명 하였습니다. 이를 위해 표준화 기구인 제3세대 파트너십 프로젝트(3GPP)가 국제이동통신(IMT-2020) 이니셔티브로 5G 구현을 진행하고 있습니다. 이와 동시에 전기전자공학연구소(IEEE)와 ITU를 포함한 다른 표준화기구는 5G 규격에 대해 연구하고 있습니다. 2019년 후반에 표준화 과정이 마무리되었고, 이제는 점점 더 많은 애플리케이션이 상용화되는 것을 볼 수 있습니다.

애플리케이션마다 각기 다른 안테나가 필요합니다.

많은 애플리케이션들이 새로운 통신 표준으로 다루어져서, 5G 이동통신의 주파수 범위가 새롭게 고려되어야 합니다. 일반적으로 5G 모바일 네트워크는 다양한 주파수로 작동할 수 있기 때문에 주파수 대역마다 각기 다른 안테나가 필요합니다.


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5G 주파수와 도달 범위에 따른 애플리케이션

소위 멀티 레이어 스펙트럼에서 일부 5G 주파수 대역을 선택하여 애플리케이션과 정렬하면 더 명확해집니다.

커버리지 영역: 2GHz 미만(예: 700MHz)은 이 파장의 전자파가 물체를 통해 먼 곳으로 이동하기 때문에 실내 및 넓은 커버리지 영역에 적합합니다.

C-밴드: 2 ~ 6GHz는 커버리지, 용량 및 소위 “수퍼 데이터 레이어”를 결합합니다. 6GHz보다 큰 주파수 (예: 24 ~ 29GHz 및 37 ~ 43GHz)는 높은 대역폭을 제공하지만 아주 얇은 나뭇잎조차도 장애물이 되어 연결을 차단할 수 있으므로 직접적인 가시선이 필요합니다.

다양한 응용 분야에서 신호를 전송하는 데 다양한 주파수가 사용되므로 전문화된 안테나 및 안테나 개념이 필요합니다. 통신에 사용되는 주파수 대역의 변화가 5G에 많은 안테나가 필요한 이유 중 하나이며, LoS(Line of Sigth)를 필요로 하는 NR(New Radio)의 전문성은 더 많은 안테나가 필요한 또 다른 이유입니다.

5G NR은 4G와 다르게 작동합니다.

주파수에 대한 수요가 계속 증가함에 따라 연방 통신 기관(미국의 FCC 등)은 무료 또는 비어있는 주파수 범위를 재할당하고 있습니다. 재프레이밍을 통해 이미 5G에 할당된 주파수에는 운영 라이센스가 부여됩니다. 따라서 네트워크 운영자는 어떤 모바일 통신 기술을 사용할 지 자유롭게 결정할 수 있습니다.

2020년 말과 2025년에 2GHz 대역의 UMTS 주파수가 만료됨에 따라 2021년부터 2026년까지 5G에 총 60MHz의 주파수를 할당할 수 있게 되었습니다.

전 세계적으로 WiMax 기술로 인해 3.5GHz 대역이 사용되지 않고 남아 있습니다. 결과적으로 2022년에는 3.6GHz 대역에서 300MHz 대역폭을 사용할 수 있으며 주파수 범위는 3.7 ~ 3.8GHz입니다.

NR은 mmWave 범위(밀리미터 파)를 사용하며 24GHz에서 시작하여 최대 52.6GHz까지 확장됩니다. 64 ~ 86GHz 범위도 향후 추가 될 것입니다.

그러나 5G(3.5GHz, 26GHz 이상)를 목표로 하는 대부분의 주파수는 무선 신호의 물리적 전파 조건때문에 단거리에만 적합합니다. 그러나 이러한 주파수 범위는 높은 대역폭 전위를 가집니다. 펨토셀이라 불리는 저전력 기지국을 사용하여 매우 높은 데이터 전송률로 모바일 무선 핫스팟을 운영할 수 있습니다. 이는 더 많은 기지국이 필요함을 의미합니다. 따라서 어떻게보면 가로등이 펨토셀 기지국을 호스팅하여 빛 뿐만 아니라 모바일 기가비트 인터넷 액세스를 제공한다고 볼 수도 있습니다.


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활성 지향성 안테나가있는 5G 도시 설치와 비교한 4G 네트워크

안테나는 더 이상 안테나처럼 보이지 않습니다.

5G의 높은 주파수는 여러 가지 이유로 훌륭합니다. 가장 중요한 이유 중 하나는 빠른 데이터 전송을 위해 엄청난 용량을 지원한다는 것입니다. 5G는 방향성이 뛰어나 다른 무선 신호 바로 옆에서 간섭없이 사용할 수 있습니다. 이는 모든 방향으로 신호를 보내서 인터넷 액세스를 요청하지도 않은 곳으로 전파를 전송하기 위해 에너지와 전력을 낭비할 가능성이 있는 4G 타워와는 매우 다릅니다.

5G NR은 주파수가 높고 파장이 짧아서 안테나가 기존보다 훨씬 작으면서도 정밀한 방향제어를 제공합니다. 기지국 하나에 여러 방향 안테나를 수용할 수 있기 때문에, 5G가 4G의 수용량보다 미터당 1,000개 이상의 장치를 지원할 수 있습니다. 즉, 5G 네트워크는 높은 정밀도와 짧은 지연 시간으로 훨씬 더 많은 사용자에게 초고속 데이터를 제공할 수 있습니다.

그러나 이러한 초고주파수의 대부분은 안테나와 신호를 수신하는 장치 사이에 명확하고 직접적인 가시선이 있는 경우에만 작동합니다. 그리고 이 고주파수 중 일부는 습도와 비, 기타 다른 물체에 쉽게 흡수되므로 멀리 이동하지 못합니다.


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기지국에 장착된 5G 안테나

이러한 이유로 몇 미터만 걸어가도 강력한 5G 연결이 4G 속도로 떨어질 수 있습니다. 이 문제를 해결하는 한 가지 방법은 안테나를 필요로 하는 특정 방이나 건물에 있는 소규모 네트워크 또는 도시 전체에 배치된 대규모 네트워크처럼 전략적으로 배치된 안테나를 사용하는 것입니다.

5G가 확대되면서 장거리 5G 지원을 위해 전파를 최대한 멀리 밀어주는 반복 방송국이 많아질 것으로 예상됩니다.

5G와 4G의 또 다른 차이점은 5G 네트워크가 요청되는 데이터 유형을 스스로 이해하고, 사용하지 않거나 특정 장치에 낮은 속도로 공급할 때는 저전력 모드로 전환했다가 HD 비디오 스트리밍과 같은 경우에는 고출력 모드로 전환할 수 있다는 점입니다.

더 나은 빔형성을 가능하게 합니다.

빔형성은 지향성 무선 링크를 사용하여 높은 대역폭으로 개별 모바일 장치를 동시에 선택적으로 공급하는 능동형 안테나 기술입니다.

더 높은 주파수 범위를 사용하면 다중 안테나 시스템이 필요한데, 주파수가 높을수록 전자파가 전파되는 조건이 나빠집니다. 멀티안테나 시스템과 빔형성은 부분적인 상쇄가 가능합니다. 빔형성은 무선 신호의 공간 목표 전송 및 수신을 가능하게 합니다. 더 많은 디폴(안테나 요소)이 가능할수록 빔형성이 더 잘 작동합니다.

5G 모바일 무선 전송 기술: MIMO (Massive Multiple Input Multiple Output)

GSM, UMTS 및 4G/LTE를 사용하던 이전 세대와는 달리 5G는 근본적인 기술적 변화를 겪을 필요가 없습니다. 기존 LTE 기술 외에도, 더 높은 데이터 처리량과 더 낮은 지연 시간을 달성하기 위해 더 많은 시스템과 인프라가 추가되었습니다. 5G NR 인프라의 핵심 요소는 다중 사용자 MIMO 기술을 허용하는 활성 안테나 어레이입니다. 이러한 안테나 모듈은 수신기와의 무선 통신을 위해 빔형성을 사용합니다.


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네트워크 환경에서의 5G 대용량 MIMO 어레이 안테나 시뮬레이션 (실제 설치와 중첩된 빔형성 안테나 패턴)

높은 방향성을 가진 초소형 안테나 어레이는 개별 모바일 장치에 빠른 전송 속도를 제공할 수 있습니다. 최신 3D MIMO 및 대용량 MIMO 장치에서는 여러 개의 송신기와 수신기가 하나의 터미널 장치에 있습니다.

필요한 안테나 수를 시뮬레이션하여 5G 채널 및 네트워크를 배치합니다.

모바일 및 기지국 안테나 패턴을 시뮬레이션하여 5G 무선 네트워크 커버리지의 고수준 시스템 분석 및 도시, 시골 및 실내 시나리오에 대한 채널 통계를 결정하는 데 사용할 수 있습니다.


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작업 현장의 5G (5G 무선 네트워크 커버리지의 고급 시스템 분석에 추가로 사용하기위한 5G 기지국 안테나 패턴 시뮬레이션)

Altair WinProp ™은 4G/LTE 네트워크 계획에 광범위하게 사용되어 왔습니다. 그러나 5G 네트워크의 사용 사례는 주로 밀리미터 대역에서 발생하는 다양한 요인들과 훨씬 더 관련성이 높습니다. 여기에는 대기 흡수 및 강우로 인한 더 높은 경로 손실, 벽으로의 최소 침투, 표면 거칠기로 인한 강한 영향이 포함됩니다.

WinProp은 각도 및 지연 확산을 계산할 수 있을 뿐만 아니라 빔형성을 고려하면서 다양한 MIMO 구성의 성능을 분석하고 비교할 수 있는 플랫폼을 제공합니다.

5G 이동 통신 애플리케이션 및 전망

5G는 다양한 광대역 요구 사항을 충족해야하는 네트워크 사회의 중요한 모바일 플랫폼입니다. 많은 사람들은 5G가 현대 산업 혁명으로 이어질 것이고 생각합니다. 5G 모바일 기술에서 많은 것을 기대하고 있으며, 5G는 다음과 같은 미래 애플리케이션의 기반을 만들 것이라고 예상됩니다.

  • 디지털 홈
  • 인더스트리 4.0
  • IoT(Internet of Things)
  • e헬스와 m헬스
  • 모바일 TV / 5G 방송
  • 실시간 커뮤니케이션 (촉각 커뮤니케이션)
  • 자율 주행
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    이러한 애플리케이션의 대부분은 여전히 개발중이기 때문에 그때까지 우리는 버퍼링없는 영상과 더 빠르고 즉각적인 온라인 경험을 기대합니다.

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    원문은 (여기)에서 만나보실 수 있습니다.

    감사합니다.
    한국알테어

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