5G 안테나 설계 및 커버리지 확장

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5G 통신망 출시는 전 세계 통신 기업들에게 큰 도움이 되겠지만 그 전에 해결해야 할 과제들이 있습니다.

IoT(사물 인터넷)의 확장과 연결된 장치의 확산은 모바일 데이터에 대한 수요의 엄청난 증가로 이어질 것입니다. 네트워크 지원 자동차와 기계 간의 통신처럼 새로운 쓰임새가 그 수요를 증가시킬 것입니다. 짧은 지연 시간(5G의 반응 시간은 1밀리초 이하일 것으로 예상됨)은 의료 및 스마트 유틸리티와 같이 시간이 중요한 영역에서 연결된 장치를 효율적으로 사용할 수 있게 될 것입니다. 속도가 빨라지면 지역 전체 서비스의 경우 3.5GHz 주파수 대역, 높은 데이터 속도의 핫스팟의 경우 26~28GHz 대역을 사용하여 사용자의 데이터 속도가 4G보다 약 10배나 더 빨라질 것입니다. 일부 추정치에 따르면, 향상된 연결성으로 인해 한 번에 평방 킬로미터당 100만 개에 달하는 더 많은 연결이 가능할 것이라고 합니다.

안테나 제조업체, 무선 장비 제조업체, 자동차 제조업체 및 공급업체, 무선 사업자는 당면한 과제를 어떻게 해결해야 할까요?

5G 안테나 설계

무선 기술이 1G에서 4G로 발전하면서 주파수 단계도 진화합니다. 즉, 대규모 기술 변경이나 중단이 필요하지 않습니다. 안테나에 필요한 변경 사항 또한 진화했습니다. 안테나 기술이 외부 안테나에서 내부 안테나로 바뀌었습니다. 안테나 다양성이 단일 대역에서 이중 대역으로, 다중 대역에서 다중 안테나로, 다중 입력 및 다중 출력(MIMO) 구현으로 변화합니다. 5G 구현은 일부 애플리케이션의 주파수를 최대 10배까지 증가시킵니다.

이는 새로운 기회 뿐만 아니라 중대한 과제를 제공한다는 점에서 이전 기술과는 확연히 다른 변화입니다. 예를 들어, 높은 주파수에서 개별 안테나가 훨씬 작을 수 있는 경우 빔 포밍 및 빔 스티어링(안테나 어레이 사용)이 가능합니다. 이러한 높은 주파수에서 파장(람다)은 약 1cm이므로 장치는 다중 람다 플랫폼입니다. 안테나 배치가 훨씬 더 중요해져서 이전 기술에서 통합 측면 키를 대체한다는 것을 의미합니다. 5G 개발의 이러한 복잡한 측면으로 인해 트레이드 오프를 최적으로 식별하고 조정하기 위해 여러 구현을 시도하는 것이 매우 중요합니다.

Altair FekoTM는 통신, 자동차, 항공 우주 및 방위 산업에서 널리 사용되는 대표적인 수치 전자기학 소프트웨어이며, 가상 제품 개발을 위한 통합 CAE 환경인 Altair HyperWorksTM의 일부입니다. 5G의 높은 안테나 이득 요건 때문에, 일반적으로 안테나 배열은 모바일 장치와 기지국의 양쪽 끝에 필요합니다. 안테나 이득이 높을 뿐만 아니라, 보다 정교한 공급 및 제어 회로가 필요하며 어레이 요소 간에도 잘 격리되어야 합니다. Feko는 다중 주파수 및 시간 영역 방법을 포함할 뿐만 아니라 안테나 배열을 정확하고 신속하게 설계하고 최적화할 수 있는 기능들도 갖추고 있습니다. 좀 더 자세히 살펴보면, Feko를 사용하여 여러 안테나 배치 옵션 및 호스팅 보드와의 상호 작용을 쉽게 탐색할 수 있으므로 실제 물리적 설계를 시도하기에 너무 비싸고 시간이 많이 걸리는 작업의 다양한 절충점을 찾고 최적화 기회를 신속하게 식별할 수 있습니다. 복잡한 빔 포밍 및 스티어링 기능과 다양한 주파수에서의 효율성도 시뮬레이션 할 수 있으며, 아래 그림과 같은 3D 모델로 결과를 쉽게 볼 수 있습니다.


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Altair Feko로 설계 및 최적화 한 “26GHz에서 작동하는 5G 기지국 용 2D 16×16 안테나 배열”

5G의 무선 커버리지 과제

새로운 5G 셀룰러 기술은 소비자들에게 이전 4G/LTE보다 최대 10배의 데이터 속도를 제공합니다. 더 높은 주파수를 사용함으로써 데이터 속도를 높이는 유사한 추세는 표준 802.11ad 및 802.11ay를 가진 60GHz 대역을 이용하는 Wi-Fi 구현에서도 볼 수 있습니다. 이러한 신기술의 경우, 도시 및 실내 환경에서 원하는 네트워크 성능을 달성하는 것은 새로운 과제를 야기합니다. 성능은 도시 및 실내 건물 구조가 영향을 미치는 라디오 채널(및 사용된 관련 주파수)에 따라 크게 달라집니다. 채널 통계 뿐만 아니라 무선 통신 서비스 예측 및 최적화를 위해서는 정확도가 높은 파동 전파 모델이 필요합니다. 서로 다른 기지국 배치 시나리오, 서로 다른 주파수 및 환경, 그리고 서로 다른 테스트 드라이브에 대한 적용 범위를 분석해야 합니다. 이 정도 수준의 테스트는 어렵고, 시간이 많이 걸리고, 비용이 많이 들 수 있지만, 제대로 탐색하지 않으면 훨씬 더 많은 비용이 드는 품질 문제와 관련된 재배치 비용이 발생할 수 있습니다. 그러나 테스트에 너무 많은 시간이 소요되면 시장 진입이 지연되고 수익이 감소할 수 있습니다. 이 사이에서 올바른 균형을 찾아야 합니다.

Feko는 5G 기반 장치 및 시스템에 중요한 다양한 환경 및 상황에서 파형 전파를 정의하고 모델링하는 완벽한 툴을 제공합니다. Feko의 매우 정확하고 빠른 경험적, 결정론적 전파 모델은 시골에서 도시, 실내, 터널, 심지어 하이브리드 환경까지 광범위한 시나리오를 포함합니다. 이러한 현실적인 파동 전파 모델을 통해 진화하는 무선 액세스 네트워크를 성공적으로 구축하고 최적화할 수 있을 뿐만 아니라 안테나 효과를 포함한 제품 절충 분석을 위한 가상 테스트 베드를 만들 수 있습니다.

5G 네트워크에서는 커버리지와 간섭에 대한 예측이 용량을 판단하는 데 아주 중요합니다. Feko를 통해 사용자는 각 전송 모드에 대해 개별적으로 계산하여 관심 영역의 각 위치에 대한 최대 수신 전력 및 달성 가능한 데이터 속도를 시뮬레이션 할 수 있습니다. 용량 제한 및 과부하 된 셀을 쉽게 감지할 수 있으며, 네트워크를 최적화하여 커버리지와 높은 처리량을 모두 제공할 수 있습니다. MIMO 또는 빔 포밍으로 인한 용량 개선은 Feko의 정교한 결정론적 전파 모델로 인해 정확하게 모델링됩니다.

개발자는 네트워크 커버리지 시뮬레이션 내에서 Feko 안테나 패턴을 활용할 수도 있습니다. 아래 그림은 실외 3 섹터 안테나의 패턴과 도시 환경에서의 무선 통신 커버리지 분석을 보여줍니다. 이 기능을 통해 모델링 속도가 크게 향상되어 여러 구현 주기를 허용하고 제품 특성을 최적화합니다.

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스마트 공장에 5G 도입

5G 기술은 기업들이 Industry 4.0을 실현하기 위해 사설 네트워크와 IIoT(산업용 IoT) 솔루션을 탐색할 수 있는 가능성을 열어줍니다. 5G 표준은 많은 IIoT 애플리케이션의 기반이지만, 특정 영역 내에서 통합 연결 및 최적화된 서비스, 보안 통신을 갖춘 전용 캠퍼스 네트워크를 구축하는 것은 사설 네트워크 운영자에게 어려운 과제입니다. 5G가 보장하는 향상된 속도, 짧은 지연 시간 및 기타 이점을 제공하려면 통신 시스템 통합업체, 엔지니어 및 컨설팅 회사가 효율적인 5G 개발 툴을 보유하고 있어야 합니다.

알테어는 5G 안테나 및 5G 네트워크의 통합 시뮬레이션을 제공합니다. 전체적인 시뮬레이션 접근 방식을 취하면서 캠퍼스 네트워크 플래너는 간섭을 사전에 방지하고 주변 지역의 전파 누출을 방지할 수 있습니다.

공장에서 작동중인 장치, 5G 안테나 및 5G 네트워크를 시뮬레이션하면 IIoT 기반 제조 프로세스에 필요한 통신 성능을 구현할 수 있습니다.

전자파 시뮬레이션으로 각 애플리케이션에 필요한 데이터 속도를 달성하고 네트워크에서 최적화된 동작을 보장할 수 있습니다. 또한 무선 통신 간섭으로 인한 EMC 문제를 방지하면서 안테나 설계와 장치 내 위치를 최적화하기 위한 설계 변경을 조기에 식별할 수 있습니다. 단일 안테나를 환경과 상호 작용하는 전체 시스템까지 정확하게 표현할 수 있으므로 고유한 예측 품질을 보장하며 산업용 무선 애플리케이션의 효율적인 설계가 가능합니다.

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알테어는 제조업체가 에지 컴퓨팅 클러스터를 구축하고, 기계 학습 모델을 교육 및 실행하고, 복잡한 애플리케이션 비즈니스 로직을 구현하고, 데이터 변환을 수행하고, 실시간 데이터를 시각화하는 등의 작업을 지원합니다. 확장 가능한 IoT 시스템 개발을 위한 알테어의 웹 서비스 및 분석 툴에 대해 자세히 알아보려면 Altair IoT 애플리케이션 페이지를 방문해보세요.

5G 캠퍼스 네트워크 및 산업용 IoT에 대해 자세히 알아 보려면 Nokia Bell Labs의 프레젠테이션을 확인해보세요.

결론

IndustryWeek의 기사에서 “제조업의 새로운 개혁이 시작됩니다. 그리고 지금이 바로 5G의 시대입니다!”라는 제목과 함께, Qualcomm 수석 엔지니어, Xiaoxia Zhang 박사는 5G가 주로 휴대전화 통신을 활성화했던 과거 기술 발전보다는 스마트 공장의 역량 강화에 초점을 맞춘다고 이야기합니다. 5G는 매우 안정적이고 짧은 지연 시간 및 시간에 민감한 네트워크를 통해 미래 공장 내에서 자동화와 정확한 원격 액세스를 가능하게 할 것입니다.

5G로의 전환은 소비자를 위한 혁명이 될 것이며 안테나 설계, 기지국 구성 및 네트워크 구축을 위한 기술 혁신도 필요할 것입니다. Feko와 같은 소프트웨어 툴은 성공적인 5G 제품과 네트워크를 개발하는 데 핵심 요소가 될 것입니다. 알테어는 제품 설계자에게 디지털 변환을 위한 빌딩 블록을 제공하여 빠르게 이동하고, 빠르게 확장하며, 시간이 지남에 따라 전자기 시스템을 지속적으로 개선할 수 있도록 합니다.

5G 네트워크 계획 및 성능 분석에 대해 더 자세히 알아 보려면 웨비나(클릭)를 확인해보세요.

원문은 (여기)에서 보실 수 있습니다.

감사합니다.
한국알테어

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