5G는 무선 테스트에 대한 새로운 접근 방식을 요구합니다

<노스크립트> 찰스 슈뢰더

내쇼날인스트루먼트의 비즈니스 및 기술 펠로우인 찰스 슈뢰더는 5G가 우리의 삶을 크게 변화시킬 잠재력이 있다고 말합니다. 더 나은 비즈니스 커뮤니케이션에서 더 스마트한 가정과 공장, 자율주행차의 발전에 이르기까지. 이러한 변환을 가능하게 하려면 5G 무선 기기가 이전 세대와 비교하여 더 빠르고 지연 시간이 짧고 연결성이 탁월해야 합니다. 결과적으로 메이크업이 더 복잡해지기 때문에 테스트에 대한 새로운 접근 방식이 필요합니다.

이전에 테스트 엔지니어는 RF 반도체에서 기지국 및 모바일 핸드셋에 이르기까지 무선 통신 기술을 대량으로 테스트하기 위해 허용된 측정 및 기술 세트를 반복했습니다. 5G를 사용하면 이러한 무선 장치 내부의 기술이 더 복잡해지기 때문에 이전 세대를 테스트하는 데 사용되었던 고도로 최적화된 기술을 재고해야 합니다. 5G 기술의 성능을 검증하려면 현재 사용 중인 유선 방식 대신 OTA(over-the-air) 방식으로 5G 구성 요소 및 장치를 테스트해야 합니다.

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대역폭을 높이는 새로운 기술

5G 표준의 주요 목표 중 하나는 증가하는 사용자 데이터 수요를 충족하기 위해 사용자당 데이터 용량을 10Gbps로 크게 늘리는 것입니다. 그러나 이를 달성하기 위해 새로운 기술이 도입되고 있습니다. 첫째, 5G 사양에는 사용자가 빔포밍 기술을 통해 동일한 주파수 대역을 동시에 공유할 수 있도록 하는 다중 사용자 MIMO(MU-MIMO) 기술이 포함되어 각 사용자에게 고유하고 집중된 무선 연결을 생성합니다. 둘째, 5G 표준은 더 많은 무선 스펙트럼을 추가하여 센티미터 및 밀리미터파(mmWave) 주파수로 확장합니다.

MU-MIMO 및 mmWave 기술의 물리적 구현은 이전 세대의 셀룰러 표준보다 훨씬 더 많은 안테나 요소를 사용합니다. 물리 법칙에 따르면 mmWave 주파수의 신호는 현재 셀룰러 주파수의 신호보다 자유 공간을 통해 이동할 때 훨씬 더 빠르게 감쇠합니다. 따라서 유사한 전송 전력 수준에 대해 mmWave 셀룰러 주파수는 현재 셀룰러 대역보다 훨씬 작은 범위를 갖습니다.

이 경로 손실을 극복하기 위해 5G 송신기와 수신기는 동시에 작동하는 안테나 어레이를 활용하고 현재 장치의 대역당 단일 안테나 대신 신호 전력을 높이는 빔포밍 기술을 사용합니다. 신호 전력을 높이는 데 중요하지만 이러한 동일한 안테나 어레이와 빔포밍 기술은 MU-MIMO 기술을 구현하는 데 중요합니다.

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이 모든 안테나를 미래의 휴대폰에 맞추기 위해 mmWave 주파수의 안테나는 현재 표준에 사용되는 셀룰러 안테나보다 훨씬 작습니다. 안테나 인 패키지(AiP)와 같은 새로운 패키징 기술은 이러한 안테나를 최신 스마트폰의 작은 공간 제약에 쉽게 통합할 수 있지만 안테나 어레이는 직접 접촉 가능한 테스트 포인트 없이 완전히 밀폐될 수 있습니다.

OTA가 새로운 문제를 해결하는 방법

테스트 엔지니어의 경우 주파수 증가, 새로운 패키지 기술 및 안테나 수 증가로 인해 자본 비용(테스트 장비 비용)과 운영 비용(각 장치를 테스트하는 시간)의 증가를 제한하면서 높은 품질을 유지하기가 어렵습니다. 새로운 OTA 기술은 이러한 문제를 극복하는 데 도움이 될 것이지만 몇 가지 문제가 있습니다.

첫째, 측정 정확도가 어려울 것입니다. 케이블 테스트와 달리 OTA 측정을 수행할 때 테스트 엔지니어는 안테나 교정 및 정확도, 고정 허용 오차 및 신호 반사와 함께 제공되는 추가 측정 불확실성을 처리합니다. 둘째, 새로운 측정값을 무반향실 통합, 빔 특성화, 최적의 코드북 계산 및 안테나 매개변수 특성화를 위한 장치 테스트 계획에 통합해야 합니다.

셋째, RF 대역폭이 계속 증가함에 따라 이러한 넓은 대역폭에 대한 교정 및 측정을 위한 처리 요구 사항도 증가하므로 테스트 시간 문제가 추가됩니다. 마지막으로, 테스트 관리자는 시장 출시 시간, 자본 비용, 운영 비용 및 바닥 공간(OTA 챔버 수용)에 미치는 영향을 최소화하면서 제품 품질을 보장하기 위해 추가적인 비즈니스 고려 사항을 고려해야 합니다.

OTA는 과제를 제시하지만 이점도 제공합니다. 첫째, 안테나 어레이가 어레이 요소에 직접 케이블링할 방법이 없는 패키지 내부에 통합되어 있기 때문에 OTA는 AiP 기술의 유일한 옵션입니다. 테스트 엔지니어가 전도 테스트 방법을 사용하여 개별 안테나 요소에 접촉할 수 있더라도 병렬로 테스트하거나 직렬로 테스트해야 하는 어려운 선택에 직면합니다(테스트 시간과 처리량을 희생시키면서). 많은 기술적 문제가 여전히 해결되어야 하지만 OTA 테스트는 어레이를 개별 요소 집합 대신 시스템으로 테스트할 가능성을 제공하므로 시스템 수준 테스트의 더 큰 효율성 약속으로 이어질 수 있습니다.

과거에 테스트 장비 공급업체와 엔지니어는 시장 출시 시간과 테스트 비용을 최소화하면서 성능과 복잡성을 증가시키는 테스트 문제를 성공적으로 극복했습니다. 그래서 나는 그들이 5G를 위해 다시 할 수 있다고 모든 확신을 가지고 있습니다. 오늘날 5G 테스트의 어려움은 복잡해 보이지만 전 세계의 엔지니어들은 OTA와 같은 새로운 테스트 도구 및 방법을 개발하는 데 큰 진전을 이루고 있으며, 이는 내일 5G를 상업적으로 성공시키는 데 필요한 것입니다.

저자는 내쇼날인스트루먼트의 비즈니스 및 기술 펠로우인 Charles Schroeder입니다.