5G NR 소개

주파수 대역, 애플리케이션 및 이를 가능하게 하는 기술을 포함하여 5G NR의 기본 사항에 대해 알아보십시오.

무선 스마트폰 통신의 다음(5세대) 세대인 5G는 모바일 장치의 레벨 업으로 소비자 세계에서 크게 홍보되었습니다. 그러나 이러한 장치를 개발하는 엔지니어의 눈에는 5G가 무엇을 수반합니까?

이 기사에서는 5G NR(New Radio)에 대해 더 깊이 파고들어 이 새로운 표준이 적용되는 다중 사용 모델과 다중 주파수 대역을 탐색합니다. 또한 5G NR과 관련된 일부 고급 기술도 살펴보겠습니다.

5G 표준

5G 표준은 7개의 다른 글로벌 표준 기구의 파트너로 구성된 3GPP(3rd Generation Partnership Project)에서 개발 중입니다. 5G에 대한 표준은 2017년 12월 "릴리스 15"로 시작되었으며 새로운 기능, 요구 사항이 추가됨에 따라 후속 릴리스에서 확장되고 있습니다.

3GPP 내에는 증가하는 추상화 수준에서 5G NR 시스템을 정의하기 위해 작업하는 TSG(기술 사양 그룹)가 있습니다. 수준의 예는 다음을 포함하지만 이에 국한되지는 않습니다.

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무선 액세스 네트워크(RAN): 다음을 포함하는 무선 성능 사양의 하위 수준(1-3)을 정의합니다.

• 물리적 계층
• 변조
• FDD(Frequency-Division Duplexing)
• 시분할 이중화(TDD)
• 빔포밍
• 오류 감지
• 수정

서비스 및 시스템 측면(SA): 과금, 회계, 네트워크 관리 및 보안을 포함하는 전체 아키텍처 및 서비스 기능을 감독합니다.

핵심 네트워크 및 터미널(CT): 사용자 장비에 대한 사양, 네트워크 간 핸드오프, 서비스 품질 매핑 등을 정의합니다.

계층형 5G 서비스의 3가지 주파수 대역

무선 통신 기술이 발전함에 따라 주파수와 대역폭이 꾸준히 증가했습니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 새로운 세대는 기존 네트워크와 일부 하위 호환성을 유지하지만 더 많은 주파수 대역으로 확장됩니다.

그림 1. 2G, 3G, 4G 및 5G 네트워크에 대한 주파수 스펙트럼 할당의 진화. Ericsson 제공 이미지 사용

이러한 추세는 5G가 30GHz 이상의 밀리미터파(mmWave) 주파수로 이동함에 따라 크게 도약하고 있습니다. 이를 통해 5G NR은 6GHz 미만의 주파수에서 최대 100MHz, 더 높은 주파수에서 최대 400MHz의 초광대역폭을 지원할 수 있습니다.

5G는 일반적으로 세 가지 대역으로 나눌 수 있습니다.

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FR1 <울>

낮은 빈도: MHz–1GHz

중간 주파수:1–7GHz

FR2 <울>

높은 빈도: 24–48GHz

그림 2에서 볼 수 있듯이 3개의 대역이 함께 작동하여 대역폭, 대기 시간 및 적용 범위에 대한 서로 다른 요구 사항을 충족하도록 설계되었습니다.

그림 2. 5G NR의 3개 대역에 대한 대역폭, 대기 시간 및 적용 범위 간의 관계. 어드밴텍 제공 이미지 사용

5G의 초기 배치는 450MHz ~ 6GHz의 스마트폰에 사용되는 보다 전통적인 주파수에 걸쳐 있는 2개의 대역(저음 및 중음이라고 함)과 함께 저주파수 범위(FR1)에 있습니다. 이러한 낮은 주파수는 가장 큰 커버리지 범위를 제공합니다.

더 높은 주파수 범위(FR2)는 더 빠른 다운로드 속도를 지원하고 초저 대기 시간이 필요한 새로운 애플리케이션을 가능하게 하기 위해 24 - 100GHz의 주파수를 사용하여 mmWave 영역으로 이동합니다.

5G NR을 위한 직교 주파수 분할 다중화

업링크 및 다운링크 연결 모두를 위한 5G 전송은 OFDM(직교 주파수 분할 다중화)을 기반으로 합니다. OFDM은 QAM(Quadrature Amplitude Modulation)과 FDM(Frequency Division Multiplexing)을 결합하여 고속 데이터 통신을 가능하게 합니다.

부반송파 주파수는 서로 직교하기 때문에 개별 피크는 모두 다른 부반송파의 널과 일치합니다(그림 3).

그림 3. 직교 주파수 분할 다중화의 주파수 스펙트럼. Keysight 제공 이미지 사용

이것은 간섭을 최소화하고 수신기가 신호를 효율적으로 복구할 수 있도록 합니다. 이러한 변조된 부반송파는 FM 라디오 채널과 같은 많은 독립적인 신호를 지원하는 데 사용할 수 있지만 5G 애플리케이션에서는 일반적으로 단일 채널의 데이터 속도를 높이기 위해 결합됩니다.

NR 사양은 15kHz, 30kHz, 60kHz, 120kHz, 240kHz 또는 480kHz의 조정 가능한 반송파 간격(최대 3300개의 부반송파 포함)을 지원합니다. 또한, 부반송파 변조는 QPSK(quad-phase shift keying) 또는 16-, 64- 또는 256-QAM일 수 있습니다. 이러한 옵션은 운영자가 환경 및 응용 프로그램에 맞게 통신 체계를 최적화할 수 있는 다용성을 제공합니다.

4G와 비교한 5G 성능

새로운 세대의 스마트폰 기술에서 기대할 수 있듯이 5G는 이전 4G보다 더 빠르고 더 많은 용량을 제공합니다. 5G는 최대 10-20Gb/s의 피크 데이터 전송 속도와 100Mb/s를 초과하는 평균 데이터 전송 속도를 지원할 것으로 예상됩니다. 5G는 또한 네트워크 효율성 개선을 통해 용량을 100배 늘리고 지연 시간을 1ms로 10배 줄여서 지원하도록 설계되었습니다.

이러한 기본적인 개선 외에도 5G는 4G보다 더 다양한 통신 표준으로 설계되어 다음을 포함한 표준 모바일 광대역 이상의 애플리케이션을 지원합니다.

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낮은 지연 시간의 미션 크리티컬 커뮤니케이션

사물 인터넷(IoT)을 위한 대규모 연결

모든 스펙트럼 유형 지원(허가, 공유, 비허가)

핫스팟을 포함한 확장된 배포 모델

기기 간 및 다중 홉 메시와 같은 새로운 통신 모델

5G 사용 모델

일반적으로 우리는 5G에 대해 들으면 더 나은 스마트폰, 즉 5G NR 사양의 측면을 즉시 생각합니다. 그러나 표준은 더 나은 스마트폰 그 이상을 지원하기 위해 개발되고 있습니다. 특히, 그림 4에 설명된 것처럼 세 가지 주요 사용 모델이 있습니다.

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eMBB (Enhanced Mobile Broadband):느슨하게 개선된 스마트폰, 소비자 앱

URLLC (매우 안정적이고 대기 시간이 짧은 통신):미션 크리티컬 서비스

mMTC (대규모 기계 유형 통신):사물 인터넷을 생각하십시오.

그림 4. 세 가지 5G NR 사용 모델의 적용 예. 이미지 [수정됨] 3GPP 제공 사용

eMBB(고급 모바일 광대역)

5G NR 네트워크 개발의 초기 초점은 향상된 다운로드 및 업로드 속도와 대기 시간 감소를 위한 eMBB에 중점을 둡니다. eMBB는 모바일 비디오 스트리밍을 개선하고 모바일 증강 및 가상 현실(AR 및 VR)을 포함하는 애플리케이션을 가능하게 할 것으로 예상됩니다. emBB는 인구 밀도가 높은 도시 지역, 스포츠 또는 콘서트 장소, 스마트 오피스에서 무선 광대역에 대한 향상된 액세스를 제공할 것으로 예상됩니다.

URLLC(초고신뢰성 저지연 통신)

이름에서 알 수 있듯이 URLLC는 자율주행차, 산업 자동화 및 원격 수술을 포함한 "실시간" 애플리케이션을 위해 대기 시간이 매우 짧은 통신을 제공하도록 설계되었습니다. 분명히, 이러한 각 애플리케이션은 낮은 오류율과 감지할 수 없는 대기 시간(이론적으로 1ms만큼 낮음)으로 강력한 네트워크 연결을 필요로 합니다. 이러한 요구 사항은 음성 통화나 좋아하는 새 프로그램 스트리밍과 크게 다릅니다.

mMTC(대규모 기계 유형 통신)

mMTC는 세 번째 사용 모델이며 처음 두 모델과도 상당히 다릅니다. mMTC는 5G NR에서 사용할 수 있는 넓은 대역폭을 활용하여 "대량"의 저속 데이터 장치와의 통신을 지원합니다. 응용 프로그램에는 원격 감지, 모니터링, 교통 및 주차 관리, 물류 및 차량 관리, 전자 광고판을 위해 많은 수의 노드에 좁은 대역폭이 필요한 사물 인터넷 및 스마트 시티가 포함됩니다.

5G를 가능하게 하는 기술

5G 통신을 가능하게 하기 위해 함께 오고 있는 많은 기술 발전이 있습니다. 이 섹션에서는 하드웨어에서 일하는 전기 엔지니어가 관심을 가질 만한 몇 가지 핵심 기술을 다룹니다.

고급 트랜지스터 기술

더 미세한 형상을 위한 실리콘 CMOS 기술의 지속적인 발전은 핸드셋, 기지국 및 네트워크 백본에 필요한 처리 능력을 높이는 데 분명히 중요합니다. 또한 5G가 주파수 스펙트럼의 밀리미터파 영역으로 확장됨에 따라 고급 트랜지스터 기술의 개선이 중심이 되고 있습니다.

그림 5에 나와 있는 것처럼 실리콘 게르마늄(SiGe), 갈륨 비소(GaAs), 질화 갈륨(GaN) 및 실리콘 카바이드(SiC)는 모두 6GHz 이상의 고주파수 FR2 대역에서 작동하기에 적합합니다. 특히, GaN 및 SiC 소자는 고주파와 고출력이 모두 필요한 기지국에서 널리 사용되고 있다.

그림 5. WBG(광대역갭) 재료의 전력 대 주파수. 이미지 사용:Analog Devices 제공

트랜지스터 자체를 넘어 칩에서 인쇄 회로 기판(PCB)으로의 외부 연결에는 패키징 및 고급 설계 기술의 기술 발전이 필요합니다. 패키지 내부의 1mm 본드 와이어처럼 단순한 것이 밀리미터파 주파수에서 잠재적인 안테나가 되며 복잡한 임피던스를 가질 수 있어 PCB에 50Ω 임피던스 매칭을 달성하기 어렵습니다. 솔더 볼을 사용하여 플립 칩 어셈블리로 이동하는 것이 도움이 될 수 있지만 임피던스 매칭 문제는 여전히 남아 있을 수 있습니다.

대규모 다중 입력 다중 출력 안테나

파장이 매우 짧기 때문에 위상 배열 안테나는 5G 밀리미터파 주파수에 적합합니다. 예를 들어, 그림 6에서 Qualcomm이 시연한 밀리미터파 핸드셋 프로토타입에는 3개의 4x2 위상 배열 안테나 섹션이 있는 것으로 보입니다. 위상 배열 안테나는 향상된 안테나 이득을 위해 빔포밍을 지원할 수 있습니다.

그림 6. 5G NR mmWave 핸드셋 프로토타입. Qualcomm 제공 이미지 [수정됨] 사용

기지국에서 위상 배열의 사용은 이른바 MIMO(Massive Multi-Input Multi-Output) 시스템으로 폭발적으로 증가할 것으로 예상됩니다. 대규모 MIMO 시스템은 다수의 안테나와 복잡한 알고리즘을 사용하여 다음을 위해 적응형 빔포밍 및 공간 다이버시티를 사용할 수 있습니다.

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각 사용자에게 좁은 빔의 초점을 통한 스펙트럼 효율성

총 복사 전력 감소를 위한 안테나 이득을 통한 에너지 효율성

이득 및 공간적 다양성을 통해 데이터 속도 및 용량 향상

적응형 빔포밍을 통한 모바일 사용자 추적

기지국에서 디지털 및 아날로그 처리의 조합은 개별 사용자를 위한 고유한 전송 채널을 생성합니다. 개별 사용자는 페이딩, 다중 경로 및 간섭이 있는 경우 통신을 향상시키기 위해 다중 안테나를 사용할 수도 있습니다.

그림 7. 밀리미터파 5G를 위한 대규모 다중 입력 다중 출력 통신. Alemaishat 외 제공 이미지 사용

요약

5G NR은 단순히 모바일 스마트폰을 위한 개선된 네트워크 그 이상입니다. 향상된 모바일 광대역, 매우 안정적인 저지연 통신 및 대규모 기계 유형 통신의 3가지 주요 사용 모델은 향후 몇 년 동안 많은 새로운 애플리케이션을 초래할 것입니다.