5G 어드밴스드 – 확장 5G 기술 설명

3GPP 릴리즈 18에서 구현되는 새로운 기술과 함께 5G 어드밴스드가 이전 릴리즈에서는 불가능했던 어플리케이션 영역으로 확장할 수 있는 새로운 기회가 제공됩니다. 향후 몇 년 동안 가장 기대되는 성장은 확장 현실(XR, AR과 VR을 포괄하는 포괄적인 용어로 사용)입니다. 이러한 어플리케이션에 필요한 무선 연결의 특성은 업링크 및 다운링크 방향 모두에서 높은 처리량과 초저 지연 시간이 성공적인 구현에 매우 중요하다는 것을 의미합니다. 이는 곧 출시될 3GPP 릴리즈의 중점 영역이며, 이러한 어플리케이션이 후속 릴리즈를 개발용 플랫폼으로 사용할 수 있도록 해야 합니다.

향상된 처리량과 짧은 지연 시간이 비슷하게 필요한 또 다른 키 어플리케이션은 어드밴스드 자동차 연결입니다. "소프트웨어 정의 차량(software-defined vehicle)"이라는 용어의 사용이 증가하고 있지만, 어드밴스드 텔레매틱스, ADAS/AD 시스템 데이터에 대한 액세스, 승객 연결성 향상을 위한 차량의 듀얼 SIM 모뎀 배치에 따라 차량의 실행 가능성이 달라진다는 것은 어드밴스드 자동차 연결이 이러한 기술을 가능하게 하는 네트워크 연결만큼 큰 영향을 미친다는 것을 의미합니다.

이는 5G 어드밴스드 및 6G를 위한 흥미롭고 다양한 개발 분야 중 광역 IoT 확장, 5G 산업용 네트워크, 정밀한 포지셔닝, 비지상파 네트워크(NTN)와 함께 5G 어드밴스드 및 그 이상의 잠재적인 새로운 어플리케이션의 몇 가지 예에 불과합니다.

^{그림 2: 5G에서 6G로 나아가기 위한 개선 영역.}

^{참조 이미지 제공: Samsung Research Advanced Communications Research Center}

이러한 어플리케이션은 점점 더 연결되어 가는 세상에서 우리가 커뮤니케이션하고 상호 작용하는 방식을 변화시킬 것입니다. 물론 이러한 어플리케이션은 기술적으로 까다로운 요구 사항을 처리할 수 있는 특정 기술을 통해서만 가능합니다. 이를 위해서는 기존 기술의 향상 및 최적화, 새로운 구현의 개발, 그리고 아마도 가장 중요한 것은 이를 현실로 만들 디바이스를 테스트하고 신속하게 개발하는 방법이 필요합니다.

5G 어드밴스드의 세부 사항과 관련 변경 사항을 살펴보기 전에 이는 PHY/RF 중심적인 관점이라는 점을 언급할 필요가 있습니다. 상위 계층에서는 네트워크 슬라이싱, O-RAN이 포함된 RAN 분해의 기초, 비공개 네트워크(캠퍼스 네트워크 등) 지원, eMBB, URLLC 및 mMTC 요구 사항을 충족하기 위해 LTE에 비해 훨씬 향상된 QoS 기능 등 몇 가지 다른 혁신이 이루어졌습니다. 이러한 것들은 미래의 무선 네트워크를 구현하고 배포하는 데 중요하지만, 이 백서에서는 PHY 계층의 개선 사항과 관련된 테스트의 의미에 중점을 둘 것입니다.

5G의 도입으로 데이터 속도 및 스펙트럼 효율성을 높이고 지연 시간을 단축할 수 있는 유용한 기술이 많이 적용되면서 이전에는 볼 수 없었던 성능을 달성할 수 있게 되었습니다. 5G 어드밴스드는 이러한 추세를 이어가며 이전 버전에서 계속해서 발전해 나갈 것입니다.

낮은 대역폭 UE

릴리즈 18의 개선 사항 중에는 5, 10, 20 MHz의 대역폭을 사용하는 UE의 전력 소비 감소와 스펙이 있습니다. 이러한 요구 사항은 이러한 디바이스를 개발할 때 감소된 용량(REDCap, Reduced Capacity) 디바이스라고 하는 새로운 문제를 야기합니다. 전력 소비가 낮을수록 전력 측정값도 낮아집니다. 동적 범위, 노이즈 플로어 및 절대 정확도는 이러한 측정을 수행하는 방법에 있어 훨씬 더 큰 관심거리가 됩니다. 핵심 성과 지표, 소비 모델 및 평가 방법론은 설정된 테스트 기준과 함께 잘 정의되어야 합니다.

수행되는 새로운 테스트의 예로는 BS에서 UE로의 "웨이크업" 신호 또는 gNB의 "휴면 모드" 활성화를 들 수 있습니다. 두 경우 모두, 구성요소를 차단하여 필요하지 않을 때 전력을 소비하지 않도록 하면 네트워크 디바이스의 효율성을 크게 높일 수 있습니다. 그러나 올바르게 구현되지 않으면 단점이 따를 수 있습니다. 최소한의 지연으로 빠르고 효율적이며 신뢰할 수 있는 "웨이크업" 신호는 안정성과 네트워크 용량을 최대화하고 디바이스가 계속 켜졌다 꺼질 때 지연을 줄이는 데 매우 중요합니다.

BS 및 UE 측의 전력 소비 감소(그린 네트워크)

네트워크 효율성의 또 다른 요소는 개별 구성요소의 효율성입니다. RF 프런트엔드는 가능한 한 가장 효율적인 전력 소비를 보장하기 위해 최적화되어야 합니다. 5G 어드밴스드는 전력 소비를 줄이고 네트워크 효율성을 높이는 것을 목표로 하며, 선형성을 개선하기 위한 최적화된 디지털 전치왜곡(DPD) 알고리즘 또는 전력 증폭기(PA) 효율성을 높이기 위한 포락선 추적의 형태로 제공될 수 있습니다. 두 가지 모두 빠른 특성화 및 시각화, 보다 광범위한 테스트 케이스에 대한 간단한 구현, 5MHz ~ 400MHz의 대역폭을 테스트할 수 있는 기능을 제공하는 다목적 개방형 시스템이 필요합니다. 테스트 케이스를 전환할 때의 비효율성 또는 긴 설정 시간은 검증 타임라인이 상당히 길어지고 출시 시간에 영향을 미칠 수 있음을 의미합니다.

DPD는 특히 PA 디자인이 더욱 복잡해짐에 따라 점점 더 복잡해지는 DPD 알고리즘의 많은 선택으로 구현하기 어려울 수 있습니다. 예를 들어, 많은 DPD 알고리즘은 더 이상 다양한 주파수와 전력 레벨에서 보다 동적으로 변화하는 PA 동작을 따라갈 수 없습니다. 또한 DPD는 적절한 구현을 위해 종종 3~5배의 신호 대역폭을 필요로 합니다. 이는 일부 최신 5G NR 웨이브폼의 경우 1600 ~ 2000MHz 대역폭을 의미할 수 있습니다.

NI는 PA 검증에서 이러한 많은 과제를 고려하여 광범위한 DPD 사용자 정의 기능을 제공하는 솔루션을 사용해 이를 해결하기 위해 노력하는 동시에 구현 및 분석이 간단한 솔루션을 제공하기 위해 노력했습니다.

DPD 조건에서 PA를 평가하기 위한 RFFE 검증에 대해 자세히 알아보기

FR2 주파수에 대한 방법론 변경

mmWave(FR2) 스펙 및 테스트 방법론에 몇 가지 눈에 띄는 변경 사항이 있습니다. 이러한 변경 사항 중 하나는 FR2-1(24.25 – 52.6GHz)용 UL 256-QAM에 대한 지원입니다. 이것은 더 높은 주파수 범위에서 구현하기 어려운 변조 방식입니다. 더 높은 주파수, 더 넓은 대역폭, 따라서 더 높은 노이즈 플로어로 인해 변조 정확도는 더욱 어려워지며, 특히 FR2 주파수에서 더 높은 경로 손실과 더 낮은 정확도를 고려할 때 그렇습니다. 이러한 더 높은 주파수에서도 낮은 EVM 측정에 도달할 수 있는 테스트 장비가 성공적인 구현을 위해 필요합니다.

^{그림 3: 54GHz까지 주파수 확장이 가능한 PXIe-5842}

최대 54GHz의 커버리지를 제공하는 54GHz 주파수 확장 기능이 있는 PXIe-5842는 5G FR2 주파수의 전체 커버리지를 포함하며, 높은 차수 변조 방식에 대해 동급 최고의 EVM 성능을 제공합니다.

PXI VST를 사용한 mmWave 테스트에 대해 자세히 알아보기

mmWave 주파수의 변경 사항 외에도 테스트 엔지니어에게 영향을 미치는 릴리즈 18의 가장 분명한 개발 사항 중 하나는 FR2의 테스트 방법론이 변경되었다는 점입니다. 이것은 몇 가지 눈에 띄는 예외를 제외하고는 릴리즈 15에서 릴리즈 17까지의 개발의 연속입니다. 첫 번째는 패널 2개에 최대 4개의 DL MIMO를 포함하는 것입니다. 여러 패널이 동시에 활성화된 경우 인접 채널로의 전력 누출이 최소화되더라도 신호 품질이 저하될 수 있으며, 공존을 보장하려면 진정한 위상 일관성 동기화를 달성해야 합니다. 지금까지 논의된 다른 많은 개발과 함께 FR2의 테스트 방법론에 대한 이번 변경은 이전 5G 개발의 연장선상에 있지만, 모두 6G 무선 네트워크를 지향하는 새로운 방식으로의 의도적인 시프트를 포함하고 있으며, 이제 더 자세히 알아볼 것입니다. 

앞서 언급했듯이 3GPP 릴리즈 18은 "5G 어드밴스드"라는 제목을 가진 최초의 제품입니다. 이는 이동 통신의 미래인 6G에 대한 관심이 높아졌기 때문입니다. 이러한 전환을 가능하게 하는 많은 개선 사항이 있으며, 그 중 일부는 고급 MIMO 진화, 전이중 방식 안테나 어레이 구현, 무선 인터페이스에서의 AI/ML 등입니다.

^{그림 4: 5G 어드밴스드 로고}

고급 MIMO 진화

지금까지 MIMO 시스템은 안테나 폼 팩터 크기가 크기 때문에 저주파에서 실현 가능하지 않았습니다. 이것은 mmMIMO(모듈식 대규모 다중 입력 다중 출력)로 변경되도록 설정됩니다. 이름에서 알 수 있듯, 이것은 기지국 안테나가 배치되는 방식을 표준화하고 모듈형 안테나 구성요소를 공간적으로 배포하여 설치 공간을 최대한 줄이기 위해 설정됩니다.

^{그림 5: mmMIMO 배포 다이어그램}

MIMO 안테나 어레이의 이러한 표준화는 비용을 절감하고 기지국 구성요소의 개발 노력을 줄여줍니다. 빌딩 블록과 유사한 독립 안테나 모듈은 모듈화되어 구현의 복잡성을 줄이며, 서로 다른 방식으로 결합하여 안테나 어레이를 구축할 수 있으므로 미리 정의된 영역의 공간적 제약에 보다 잘 적응할 수 있습니다. 이것이 구현의 리미트를 줄이는 데 도움이 되는 또 다른 방법은 어레이를 더 넓은 영역에 걸쳐 공간적으로 물리적으로 배포하는 것입니다. 그림 5는 미리 정의된 구조 또는 건물에서 응집력 있게 작동하는 서로 다른 독립적인 안테나 모듈의 예입니다.

이렇게 하면 큰 요소를 분산시켜 공간적 리미트를 크게 줄일 수 있지만 구현 시 몇 가지 문제가 발생합니다. 간격 조절 안테나 어레이는 지연 시간이 매우 짧은 연결을 필요로 하므로 물리적으로 더 멀리 떨어져 있는 기지국 구성요소로부터 더 나은 타이밍과 동기화를 필요로 합니다. 또한 간격 조절 안테나는 안정적인 연결을 위해 더 나은 교정이 필요하며, 분해 RAN 아키텍처에서 구현하려면 기지국 구성요소 사이의 표준화된 인터페이스를 기반으로 하는 새로운 테스트 케이스가 필요합니다. 구현이 더 복잡해진다는 것은 테스트가 더 복잡해진다는 것을 의미하며, 각 서브시스템 연결에는 일정 수준의 통합과 완전한 in-the-loop 시스템 수준 테스트(설정하기 어려울 수 있음)가 점점 더 일반화되고 있습니다.

NI와 파트너는 함께 기존 RAN과 Open RAN 모두에서 점점 더 복잡해지는 기지국 구성요소를 테스트하는 과정에서 어려움을 깨닫고 있습니다. NI는 Open RAN O-RU 검증을 위해 Spirent Communications와 파트너십을 체결하여 강력한 에뮬레이션 기능으로 O-RU를 포괄적으로 검증할 수 있도록 지원합니다. NI와 파트너의 전문성을 활용하면 복잡한 무선 인프라 테스트 개발을 간소화할 수 있습니다. 

NI 무선 인프라 테스트 솔루션에 대해 더 알아보기

전이중 방식을 향한 경로

5G 어드밴스드의 속도와 성능을 향상시키기 위한 또 다른 개발은 전이중 방식 전송의 구현입니다. 최근까지 이것은 고전력에서 실현 가능하지 않았고 WiFi와 같은 저전력 어플리케이션에서만 사용되었습니다. 부대역 전이중 방식(SBFD 또는 XDD)으로 알려진 이 기술을 사용하면 동일한 TDD 대역 내에서 겹치지 않는 인접 서브채널을 사용하여 업링크와 다운링크를 동시에 사용하여 지연 시간을 최소화하고 연결 안정성을 높일 수 있습니다.

이는 기지국에서 자체 간섭 제거(SIC)를 사용하여 수행되며, 단일 채널, 서브채널, 부분적으로 겹치는 채널 쌍 또는 동일한 주파수 대역의 모든 채널 쌍에서 동시 전송을 허용합니다. 이렇게 하면 처리량을 저하시키지 않으면서 훨씬 더 효율적인 스펙트럼을 사용할 수 있습니다. SBFD는 기존의 FDD보다 훨씬 적은 스펙트럼을 필요로 하며, TDD에서는 불가능한 연속적인 UL 및 DL 전송과 낮은 지연 시간을 유지합니다. 5G 어드밴스드의 경우 이 개발은 주로 기지국 측에 적용되며, UE 측에 큰 변화는 없습니다.

물론 SBFD는 구현 과정에서 해결해야 할 많은 기술적 과제를 안고 있습니다. UL 및 DL 방향의 간섭은 동시 전송 중에 훨씬 더 높으며, 개발 중에 새로운 억제 기술이 필요하고 테스트되었습니다. 여기에는 RF 프런트엔드의 새로운 회로 또는 필터링, DPD와 같은 디지털 구현 또는 기타 형태의 디지털 신호 프로세스(DSP)가 포함될 수 있습니다. 어떤 경우이든 적절한 구현을 위해 검증, 문서화 및 분석해야 하는 테스트 케이스의 또 다른 세트입니다.

^{그림 6: 부분 대역 전이중 방식(SBFD) 다이어그램}

SBFD는 양방향 통신에 동일한 주파수를 사용하는 SFFD(단일 주파수 전이중 방식) 또는 진정한 전이중 방식을 향한 여러 단계 중 첫 번째 단계일 가능성이 높기 때문에 중요한 발전입니다. 전이중 방식은 RF 프런트엔드 개발에서 고유한 과제를 제시하며 향후 6G 3GPP 릴리즈에서 주요 논의 토픽이자 기술적 과제가 될 것입니다.

모바일 mmWave 기술의 진화

모바일 mmWave 기술에서 중요한 변화가 일어나고 있습니다. 통합 액세스 백홀(IAB)은 sub-6GHz 및 mmWave 배포에서 더 나은 커버리지를 위해 자동차와 기차에서 기능을 확장할 예정입니다. 또한, 비인가 5GHz 및 6GHz 대역에서 최적화된 사이드링크 작업, 다중 빔 작업, 사이드링크 캐리어 어그리게이션을 통해 네트워크의 디바이스를 더욱 통합함으로써 새로운 차원의 연결성과 신뢰성을 확보할 수 있습니다. 사이드링크 개선 사항에는 사용자가 다른 사용자를 통해 네트워크로부터 정보를 받을 수 있도록 하는 디바이스 대 디바이스(UE-to-UE) 릴레이를 지원하는 메커니즘이 포함됩니다. 

기존의 단일 UL 및 DL 연결과 달리, 5G 어드밴스드 네트워크에서 작동하는 디바이스는 연결 웹과 인터페이스하게 되어 통신 방식이 복잡해집니다. 여러 개의 동시 UL, DL 및 사이드링크 연결을 사용하면 각각의 정보를 주파수, 시간, 방향 및 공간으로 분할하는 방법이 미래의 5G 디바이스의 RF 프런트엔드 및 디지털 신호 프로세스(DSP)에서 점점 더 복잡한 태스크가 될 것입니다.

FR3 주파수

mmWave는 불과 몇 년 전만 해도 예상했던 대로 아직 널리 보급되지 않았습니다. 확실히 사용 사례가 있고 초고밀도, 트래픽이 많은 어플리케이션(예: 경기장 또는 도심)과 같은 일부 틈새 어플리케이션에서 성장을 보았지만, 광범위한 구현은 기술적으로 어렵고 비용이 많이 드는 것으로 판명되었습니다. 범위가 더 짧기 때문에 많은 스몰 셀이 필요하며 기존 네트워크 인프라는 mmWave 주파수에 재사용할 수 없습니다.

5G mmWave의 느린 성장에도 불구하고 두 분야의 장점을 병합할 수 있는 또 다른 잠재적 스펙트럼 범위가 있습니다. mmWave의 장점(높은 처리량 및 상대적으로 개방된 스펙트럼)을 구현의 용이성 및 보다 넓은 범위의 커버리지(sub-6GHz 셀룰러 네트워크의 장점임)와 결합하는 또 다른 옵션이 있습니다. 

무선 스펙트럼의 이 "스위트 스폿"을 FR3라고 합니다. 7.125GHz ~ 24.25GHz의 주파수로 구성되며, 셀룰러 통신에서 절충안 역할을 하여 sub-6GHz 및 mmWave 주파수의 장단점 사이의 균형을 유지합니다. 

^{그림 7: 셀룰러 주파수 대역}

FR3 주파수에서의 테스트는 기술적으로 말하면 mmWave에서의 테스트만큼 어렵지는 않지만, UE 및 인프라를 위한 RF 프런트엔드는 이러한 주파수에서만 작동하지는 않습니다. 종종 동일한 RF 프런트엔드 및 시스템에서 sub-6GHz, FR3 및 mmWave 주파수를 혼합하여 사용할 수 있습니다. 이것은 의심할 여지 없이 각각의 고유한 주파수 범위와 여러 주파수 범위의 상호 운용성과 공존성을 동시에 갖는 테스트 케이스의 증가를 가져올 것입니다.

^{그림 8: PXIe-5842 벡터 신호 트랜시버}

최대 26.5GHz의 연속 주파수 범위를 제공하는 PXIe-5842는 sub-6GHz 및 FR3 주파수 모두에서 테스트 요구 사항을 해결하는 데 매우 적합하며, 미래 경쟁력을 갖춘 통합 테스트 시스템의 핵심 인스트루먼트입니다.

PXI 벡터 신호 트랜시버에 대해 더 알아보기

AI 지원 무선 인터페이스

5G 어드밴스드의 마지막 주요 개발이자 장기적으로 가장 큰 영향을 미칠 개발은 NR 지원 무선 인터페이스용 AI/ML입니다. 이러한 제안된 변경 사항이 어떤 영향을 미칠지는 아직 알 수 없지만, 이는 확실히 업계의 많은 주요 업체로부터 큰 관심을 받은 인기 있는 토픽이었습니다. AI/ML은 시스템을 테스트하는 방식을 파라미터 테스트 방법론에서 보다 시나리오 기반의 테스트 방법론으로 바꿀 수 있습니다.

AI 지원 셀룰러 네트워크는 이전에는 사람의 개입이 필요했던 태스크를 자동화하여 훨씬 더 효율적이 될 수 있습니다. 이를 가능하게 하기 위해, 네트워크 인프라로부터 수집된 많은 양의 데이터는 이러한 스마트 네트워크가 복잡한 문제를 해결하고 훨씬 더 다재다능한 시스템에서 필요에 따라 솔루션을 구현할 수 있도록 하는 잠재력을 가지고 있습니다.

5G 비 지상파 네트워크(NTN)

5G NTN은 IoT 및 광대역 연결을 위해 위성을 사용하는 5G용으로 디자인된 위성 통신의 한 형태입니다. 사용 사례는 아직 결정되지 않았지만 UE, 커넥티드 차량, 고정 및 방송 위성 서비스에서의 잠재적인 사용으로 인해 흥미로운 개발 영역이 되었습니다. 오늘날에도 많은 UE가 일부 형태의 NTN 기능으로 디자인되어, 기존의 셀룰러 인프라에서 멀리 떨어진 가장 외딴 지역이나 시골 지역에서도 진정한 글로벌 통신을 위한 무대를 마련하고 있습니다.

이 기능은 우리가 전 세계적으로 커뮤니케이션하는 방식을 변화시킬 수 있지만, NTN은 몇 가지 고유한 기술적 문제를 고려해야 합니다. 위성 통신의 특성상 높은 지연 시간, 도플러 이동 및 경로 손실이 발생합니다. 이는 UE가 위성에서 멀리 떨어져 있고, 정지해 있는 객체에 비해 상대적으로 빠른 속도이며, 고도, 빔 풋프린트, 대기 간섭이 전송된 신호에 미치는 영향 때문입니다. 또한 NTN 통신에 제안된 일부 잠재적 주파수는 L 대역의 몇 MHz에서 최대 5GHz의 대역폭을 갖는 Ka 또는 Ku 대역에 이르기까지 다양하며, 이는 다양한 웨이브폼의 광범위한 동작을 나타냅니다.

^{그림 9: 다른 위성 위치에서 도플러 이동의 변화량}

5G 및 그 이상을 위한 NTN 테스트에 대해 자세히 알아보기

5G 어드밴스드 디바이스의 디자인, 검증 및 생산을 담당하는 엔지니어에게 각각 고유한 의미를 갖는 많은 토픽이 논의되었습니다. 상황별 고려 사항이 많이 논의되었지만, 대부분의 5G 어드밴스드 개발에 해당하는 일반적인 사항 몇 가지를 다룰 것입니다.

그 중 하나는 5G 어드밴스드의 개발에 따른 부작용으로 테스트 케이스가 엄청나게 증가한다는 것입니다. 각각의 새로운 5G 어드밴스드 디바이스는 많은 설정 가능한 파라미터를 가져오며, 각 파라미터는 다양한 테스트 케이스를 통해 검증되어야 합니다. 더 많은 변조 유형부터 서로 다른 주파수의 다중 안테나 배열, 동시 UL 및 DL 연결, 사이드링크 UE-UE 전송 및 전력 효율성 고려사항에 이르기까지 5G 어드밴스드에 대해 검증해야 할 시나리오가 더 많습니다. 이는 테스트 케이스의 수를 상당히 증가시킬 것이며, 이는 디바이스 검증을 통한 효율적인 사이클링 수단이 수집된 데이터로부터 의미 있는 통찰력을 유지하면서 빠른 시장 출시를 보장하는 키가 될 것임을 의미합니다.

또 다른 예로는 이러한 개발을 지원하는 데 필요한 지속적인 스펙 업데이트가 있습니다. 이는 새로운 테스트 케이스와 측정이 통합되고 스펙이 충족되는지 확인하기 위한 추적이 어려울 수 있습니다. 분기별 릴리즈 및 RFmx NR과 같은 표준 특성을 통해 RFmx는 표준 기반 측정에 유용한 도구가 될 수 있습니다.

^{그림 10: 무선 테스트 어플리케이션을 위한 완벽한 하드웨어 및 소프트웨어 솔루션}

셀룰러 기술이 계속 발전함에 따라 여러 가지 독특하고 참신한 테스트 요구 사항이 추가되면서 목록이 계속됩니다. NI는 이러한 노력에 있어 파트너가 되는 것을 목표로 하며, 차세대 및 미래 세대의 무선 통신을 개발하는 데 필요한 도구, 워크플로, 시스템을 제공합니다. NI가 무선 통신의 미래를 준비하는 데 어떤 도움을 줄 수 있는지에 대한 자세한 정보는 NI 기술 전문가에게 문의하십시오.

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