5G의 당면 과제, 대규모 다중안테나(mMIMO) 시스템 간소화하기
5G의 당면 과제, 대규모 다중안테나(mMIMO) 시스템 간소화하기
  • 김주연 기자
  • 승인 2019.11.26 22:11
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안테나 및 부품 탑재량 늘어나면서 시스템 복잡성 증가… 크기·전력효율·무게 등 한계
부품이 아닌 시스템 차원에서의 접근 필요… 아나로그디바이스 제로 IF 아키텍처 주목
로데슈바르즈에서 5G mMIMO를 테스트하고 있는 모습./로데슈바르즈

네트워크 업계에 5세대(5G) 이동통신은 이전 세대 이동통신과 차원이 다른 기술이다. 그 중 가장 난제는 대규모 다중안테나(mMIMO)다. 수십, 수백개의 안테나가 들어가는 mMIMO 시스템은 그만큼 크기도 크고, 전력소모량도 크다. 

mMIMO를 간소화하는 건 쉽지 않다. 시스템 관점에서 설계부터 효율화를 꾀해야한다는 얘기다. 아나로그디바이스(ADI)의 솔루션이 주목받는 이유다.

 

mMIMO로 골머리를 썩는 이유

이론적으로 무선통신의 용량을 증가시키는 가장 효과적인 방법은 안테나를 늘리는 것이다. mMIMO는 데이터 전송량을 늘리고 주파수 도달 영역(커버리지)을 넓히기 위해 고안된 기술로, 송수신 안테나 숫자를 대폭 늘린 안테나 시스템을 말한다. 

4G LTE에 쓰였던 MIMO가 많아야 8개의 안테나(8T8R)로 구성됐다면, 5G의 mMIMO에는 적어도 32개 안테나(32T32R)가 들어간다. 효과는 더할나위 없이 좋다. 모바일 기기를 기준으로 mMIMO는 데이터 처리량을 3~5배 늘려준다. 

문제는 시스템 구성이 그만큼 복잡해지고, 시스템 크기도 커진다는 것이다. 

4G 무선 인프라는 특정 방향만 보는 안테나 모듈에서 무선(RF) 신호를 받아 무선신호처리부(RU)에 전달하고, 이 신호를 유선으로 데이터 처리부(DU)에 전달해 처리하게 하는 구조다. 이때 안테나 모듈은 전신주 등에 주로 장착된다. 무게와 크기, 전력소모량에 제약이 있다는 얘기다.

 

4G MIMO와 5G mMIMO의 차이./NI
4G MIMO와 5G mMIMO의 차이./NI

5G mMIMO는 특정 단말에만 신호를 집중할 수 있도록 능동 안테나를 쓴다. ‘능동’을 가능하게 하는 무선 신호 체인이 안테나 모듈 내로 들어와야한다. 안테나와 부품 수가 늘어나니 복잡성은 물론, 모듈 크기와 전력 소모량도 함께 커진다. 

업계 관계자는 “실제 전력증폭기(PA), 아날로그-디지털 신호 변환 경로에 있는 부품, 디지털 집적회로(IC)가 늘어나면서 mMIMO는 4G MIMO 대비 2배 이상의 전력을 소모하고, 발열도 그만큼 심해진다”며 “시스템 설계 단계에서부터 최대의 효율성을 끌어낼 수 있도록 해야한다”고 말했다.

 

개별 부품이 아닌 시스템 관점에서

일부 업체들은 반도체 크기 자체를 줄이거나 통합 솔루션으로 전체 시스템의 크기를 줄일 수 있다고 설명한다. 하지만 2~3개의 부품이 통합되거나 크기가 작아진다고 해서 시스템이 소형화되는 건 아니다. 오히려 원하는 성능을 얻지 못해 비효율적일 수도 있다. 

ADI가 겨냥한 건 이 점이다. ADI는 단일 부품이 아닌 시스템 차원에서, 아키텍처부터 다시 들여다봐야한다고 설명한다. 상보성금속산화물반도체(CMOS) 기반 트랜시버부터 프론트엔드(RFFE) 부품, 전원관리 회로 등 업계에서 가장 광범위한 RF 부품 제품군을 갖고 있기 때문에 나오는 자신감이다.

ADI가 내세우는 건 제로-IF(Zero-Intermediate frequency, 이하 ZIF) 아키텍처다.

전통적으로 무선 시스템은 RF 신호(1㎒ 이상)를 중간주파수(IF)로 변환한 다음, 모뎀이 해석할 수 있는 저주파 신호로 바꾼다. IF 변환을 중간에 추가, 신호에 대한 민감도와 안정도를 높이는 것이다.

 

기존 무선 아키텍처(상단)와 ZIF 아키텍처 다이어그램 비교./ADI
기존 무선 아키텍처(상단)와 ZIF 아키텍처 다이어그램 비교./ADI

이와 달리 제로-IF 아키텍처는 IF 변환 과정 없이 고주파의 RF 신호를 곧바로 저주파 베이스밴드 신호로 바꾼다. IF 변환에 필요한 고가의 SAW 필터가 필요 없고 트랜시버의 크기와 비용도 줄일 수 있어 시스템의 부품비용(BoM)을 3분의1 가량 아낄 수 있다. 

구성도 간단해 설계도 쉬운 편이지만, 발진이나 선택도, 신호 누출 문제 등으로 실제 구현이 어렵다. ZIF 아키텍처를 잘 응용하고 있는 업체가 ADI 뿐인 이유다.

초기에만 해도 ZIF 아키텍처 기반 RF 부품은 스마트폰 등 단말이나 무선 랜에 주로 쓰였다. 네트워크 업계에서는 안정성이 떨어진다는 이유로 ZIF 아키텍처를 선호하지 않았다.

하지만 5G 이동통신 개발이 가속화되면서 ZIF 아키텍처에 대한 대우가 달라졌다. 구성이 간단해 mMIMO 같은 복잡한 RF 시스템 설계에도 오랜 시간이 걸리지 않았고, 크기와 전력소모량도 줄일 수 있었다. 

수많은 부품들을 통과하면서 고주파 신호가 손실되는 문제도 적었다. 가장 큰 문제로 지적됐던 안정성 또한 신호 처리 알고리즘으로 상당 부분 개선했다.

브래드 브랜논(Brad Brannon) ADI 시스템 아키텍처 엔지니어는 “mMIMO와 스몰셀에 ZIF 아키텍처 기반 RF 솔루션을 적용하면 비용과 전력소모량을 각각 절반으로, 크기(Footprint)는 67% 가량 줄일 수 있다”며 “개별 부품 차원에서 접근하는 것보다, 대형 필터 및 기타 수동 소자를 줄이거나 없앨 수 있는 무선 아키텍처를 구축하면 전체적으로 더 우수하다”고 설명했다.