무선 통신의 간략한 역사 – 5G에 이르기까지
10년마다 수많은 기술 변화가 일어나며, 50년 넘게 이어져 온 무선 기술의 변화가 누적된 결과는 우리의 소통 방식을 어떻게 바꿔놓았는지 볼 때 주목할 만합니다.
- 1980년대는 1세대 이동통신망의 도입과 함께 개인용 컴퓨터 시대의 서막을 열었습니다
- 1990년대에는 2G 서비스가 도입되면서 소비자용 기기에 64비트 마이크로프로세서 아키텍처가 등장하기 시작했다
- 2000년대에는 첫 번째 아이폰이 출시되고 3G 서비스가 본격화되었습니다
- 2010년대는 4G 서비스가 본격화되고 디지털 전환 전략이 시작되면서 스마트폰에 64비트 아키텍처가 도입된 시기입니다
- 2020년대는 전 세계적인 팬데믹 상황 속에서 5G 상용화와 함께 컴퓨팅 르네상스의 서막을 열었으며, 여기에는 밀리미터파(mmWave) 기술의 도입도 포함된다
- 2030년대는 6G 상용화의 시작이 될 것으로 보인다
전 세계 인구가 80억 명에 달하는 상황에서, 반도체 산업이 현재 매년 약 15억 대의 스마트폰을 생산하고 있으며 글로벌 공급망이 정말 놀라운 속도로 진화하고 있다는 점은 주목할 만합니다. 이러한 진화가 시사하듯, 변화의 핵심 동력은 디지털 기술과 무선 기술이 원활하게 융합되어 더 큰 공익, 즉 언제 어디서나 정보에 접근할 수 있는 환경을 실현하는 데 있습니다.
5G의 주요 특징 개요
전 세계적으로 5G NR(New Radio)의 도입이 본격화되고 있으며, 4G에 비해 훨씬 더 빠르고 반응성이 뛰어난 모바일 경험을 제공할 것입니다. 5G로의 전환에는 새로운 주파수 대역을 사용하는 새로운 무선 접속 기술(RAT)이 포함됩니다:
- FR1 대역은 410 MHz ~ 7125 MHz를 차지합니다
- FR2-1은 24.25 GHz ~ 52.6 GHz 대역을 사용한다 (릴리스 15)
- FR2-2는 52.6 GHz에서 71 GHz 대역을 사용한다(릴리스 17)
네, 사상 처음으로 5G는 밀리미터파(mmWave) 기술의 도입과 동의어가 되었습니다. 밀리미터파를 도입하는 주된 목적은 (기존 이동통신망을 통해) 차세대 사용자 경험을 제공하는 데 있습니다. 이러한 경험에는 그동안 많은 인구가 이동통신 서비스 품질 저하를 겪어왔던 지역에서 1Gbps의 다운로드 속도를 제공하는 것이 포함됩니다. 예를 들어, 경기장을 비롯한 많은 장소에서 밀리미터파를 도입해 더욱 몰입감 있는 경험을 선사할 것입니다. 또한, 교통 허브(공항)와 같은 인구 밀집 도시 지역에서는 더 빠른 응답 속도의 연결이 가능해질 것입니다. 장기적으로는 고정 무선 접속(라스트 마일), 기업 실내 네트워크(사설 네트워크), 기타 산업용 IoT 애플리케이션 분야에서도 도입이 이루어질 것으로 보입니다. 이 모든 것의 공통점은 인구 밀도가 높은 환경에서 더 빠르고 반응성이 뛰어난 모바일 경험을 제공한다는 점입니다.
더 높은 주파수와 더 넓은 대역폭의 결합이 바로 초고속 데이터 전송 속도를 가능하게 합니다. 참고로, 6 GHz 신호의 파장(FR1 기준)은 약 50 mm 정도입니다. 39 GHz(FR2-1)에서는 파장이 7.7 mm로 줄어듭니다. 이어 60 GHz에서는 파장이 5.0 mm에 불과합니다(FR1 파장의1/10 ). 이러한 수치에서 알 수 있듯이, 밀리미터파 송수신 기술은 어디에나 설치할 수 있을 만큼 더 소형화된 안테나를 사용할 수 있게 해줍니다.
아직 모든 5G 스마트폰이 밀리미터파(mmWave) 연결 기능을 지원하는 것은 아닙니다. 5G 서비스 출시에는 밀리미터파를 제외한 5G의 모든 이점을 제공하는 ‘이코노미급’이 존재합니다. 이 이코노미급은 FR1 대역만 지원합니다. 반면, 현재 출시된 5G 플래그십 스마트폰은 FR1과 FR2-1 대역을 모두 지원합니다. 이러한 모듈식 접근 방식에서 FR1 기능은 향후 출시될 이코노미급 및 프리미엄급 5G 스마트폰 모두의 기반이 됩니다. 이코노미급과 프리미엄급 스마트폰의 최종 구성 비율은 향후 밀리미터파 기술의 보급 상황에 따라 달라지겠지만, 현재 출시된 모든 주요 플래그십 스마트폰은 밀리미터파를 지원합니다. 따라서 밀리미터파의 보급이 확대됨에 따라, 이러한 독보적인 무선 기능들은 이미 현재 출시된 일부 단말기에 탑재되어 출시되고 있습니다.
이러한 독보적인 무선 기능을 가능하게 하는 요소는 무엇일까요? 비록 이 목록이 모든 것을 망라한 것은 아니지만, 이러한 무선 혁신을 이끄는 핵심 5G 기술 요소로는 대규모 다중 입출력(MIMO) 및 진화된 빔포밍 기능이 있습니다. 반도체 생태계 전반에 걸쳐 이러한 무선 기술의 복잡성을 해결하는 것은 막대한 규모의 과제입니다.
안테나, MIMO, 빔포밍 및 5G-IF
밀리미터파 대역에서는 대역폭이 넓을 뿐만 아니라, 이 파장의 안테나는 FR1에 비해 훨씬 작기 때문에, 이제 작은 공간에 많은 수의 안테나를 집적하여 이득을 높이고 빔포밍을 구현할 수 있게 되었습니다. 결과적으로 MIMO는 스마트폰과 기지국 사이에서 밀리미터파 신호를 효과적으로 제어함으로써 연결을 가능하게 하고(그리고 품질을 향상시킵니다). 게다가, 이 정도만으로도 충분히 복잡하지 않은 것처럼, MIMO는 여러 사용자가 동일한 자원을 동시에 공유할 수 있게 해줍니다(MU-MIMO).
5G 스마트폰 내부에서는 네트워크와의 최상의 가시거리(LOS) 연결을 위해 이러한 MIMO 안테나 구조들이 기기 주변부에 배치됩니다. 신호 분배는 중간 주파수(5G-IF) 메커니즘을 통해 이러한 안테나 구조와 모뎀 간의 연결을 거쳐 계속됩니다. 이러한 방식으로 5G 스마트폰 내에서는 송수신 작업을 위한 안테나에서 비트(bits)까지의 완벽한 연결이 가능해집니다. 이 모든 기술이 원활하게 협력하여 더 빠르고 반응성이 뛰어난 연결을 만들어낸다는 점을 고려할 때, 이는 공학적 경이로움이라 할 수 있습니다.
5G의 재정적 영향
표준은 5G의 복잡성을 다루고 있지만, 이는 해결책의 절반에 불과합니다. 이 혁신을 현실로 만드는 나머지 절반은 상용화 과정에 달려 있습니다. 5G 스마트폰 내부에서, 밀리미터파(mmWave) 연결을 지원하기 위해 부품 명세서(BOM)에 두 가지 새로운 품목이 추가되어야 합니다:
- 밀리미터파(mmWave) 연결을 지원하는 AiP(Antenna in Package) 장치(스마트폰당 3개)
- AiP 장치와의 5G-IF 연동을 지원하도록 확장된 모뎀 기능
이러한 추가 기능들은 이전 세대 스마트폰 아키텍처에는 포함되지 않았기 때문에 추가 비용이 발생합니다. 또한, 상용화 과정에는 대량 출하가 가능한 밀리미터파(mmWave) 공급망의 개발 및 구축이 포함됩니다.
상용화 과정에서는 이 신기술을 시장에 출시하는 데 따르는 재정적 장벽을 해소해야 합니다. 가격이 너무 높게 책정될 경우 시장 확산 속도가 둔화될 위험이 있습니다. 반면, 새로운 서비스를 통해 프리미엄을 확보하고 투자 수익률을 높일 수 있는 잠재력 역시 가격 책정 전략에 영향을 미칠 것입니다. 따라서 밀리미터파(mmWave) 기술 공급업체들은 투자자 커뮤니티는 물론 최종 제품을 구매하는 소비자에 이르기까지 반도체 생태계 전체에 이익이 되는 균형점을 찾아야 합니다.
AiP 장치, RFIC 통합 패키징 안테나
소비자용 제품의 빔포밍을 위해 설계된 AiP 장치는 전력 증폭기, 저잡음 증폭기, 스위치, 트랜시버, 필터 및 개별 안테나를 포함하는 완전 통합형 모듈입니다. 요약하자면, AiP 장치는 5G 아키텍처에서 사용하기 위해 밀리미터파(mmWave) 대역에서 RF 프런트 엔드(RFFE) 기능을 제공합니다. 이 패키지는 일반적으로 시스템 인 패키지(SiP)의 한 유형으로 간주되며, 이는 이종 통합(heterogeneous integration)도 포함함을 의미합니다. 실제로 AiP 디바이스는 특히 첨단 패키징 기술 측면에서 볼 때 공학적 경이로움이라 할 수 있습니다. 또한 상용화를 위해서는 조립 및 테스트를 위한 새로운 방법이 필요하며, 이는 무선(OTA) 방식을 포함하도록 진화하고 있습니다.
5G-IF 신호 분배 메커니즘
5G 스마트폰의 핵심은 RF 신호를 비트 신호로 변환하는 송수신기 및 모뎀 기능입니다. 밀리미터파(mmWave)가 추가됨에 따라, 이 핵심 기능은 AiP(All-in-One) 장치와의 신호 분배 연동을 처리할 수 있도록 발전해야 합니다. 신호 분배는 일반적으로 10~20GHz 대역에서 이루어지며, 이는 테스트에 중요한 영향을 미칩니다. 특히, 이는 FR1만 지원하는 경우보다 테스트 범위를 확보하는 데 더 많은 비용이 소요됩니다.
5G가 안겨주는 경제적 과제
이러한 모든 공학적 복잡성은 테스트와 관련하여 해결해야 할 재정적 부담을 수반합니다. 테스트 기간을 단축하고 공급업체와 부품 명세서(BOM)에 대해 협상하는 것만으로는, 특히 오늘날과 같은 시대에는 충분한 전략이 될 수 없습니다. 오히려 비용 절감을 끊임없이 추구하기 위해서는 로드맵을 수립하고 더 높은 사이트 밀도로 전환하는 것이 검증된 방법입니다. 그렇지만 5G 상용화와 맞물려 테스트 분야에서도 일종의 르네상스가 진행 중이며, 이는 생태계를 통해 테스트되는 RF 장치의 사이트 수가 두 배로 늘어나는 현상을 의미합니다. FR1용 장치뿐만 아니라 FR2-1, FR2-2 및 그 이상의 대역용 장치까지 포함됩니다. 장치와 마찬가지로 테스트 및 계측 산업도 혁신과 경제성 측면에서 새롭게 대두되는 복잡성에 발맞추기 위해 진화하고 있습니다.
참고로, 테라다인은 x8 사이트를 기반으로 하는 오늘날 RF 트랜시버 테스트 분야의 표준을 정립한 선구자입니다. 또한 테라다인은 신흥 밀리미터파(mmWave) 기술의 상용화를 위한 솔루션을 포함하는 새로운 영역에서 선도적인 노력을 지속하고 있습니다. 이 글을 작성하는 시점에서, 저희는 RF 및 밀리미터파 트랜시버 테스트의 새로운 표준인 x16 사이트 밀도 솔루션을 UltraFLEXplus를 통해 RF 및 mmWave 트랜시버 테스트의 새로운 표준인 x16 사이트 밀도 도입을 시작하고 있습니다. 또한, 새롭게 등장하는 AiP(All-in-One) 디바이스를 위해 병렬 OTA 테스트의 새로운 표준인 x8 사이트 밀도를 달성한 것을 큰 자부심으로 생각합니다.
다음은 무엇일까요? 6G 상용화의 전망
이 블로그에서 언급했듯이, 대부분의 기술 변화의 표면을 벗겨내 보면, 이를 해결하려면 신중하고 일관된 엔지니어링 노력이 필요한 다학제적 복잡성이 도사리고 있습니다. 시장을 선도하는 선구자들과의 협력을 통해, 테라다인은 수십 년에 걸쳐 진화해 왔으며, 밀리미터파(mmWave) 기술을 비롯한 무선 혁신을 현실로 구현하는 데 있어 귀중한 파트너로 자리매김했습니다. 테라다인은 복잡성을 해결합니다.
6G 시대를 내다보며, 우리는 계속해서 전진하고 있으며, 다음 목표(말장난을 용서해 주시기 바랍니다)는 무선 생태계 전반에 걸쳐 테스트 비용 절감을 끊임없이 추구하는 것입니다. 선구자 정신은 우리 문화의 일부이며, 신기술을 위한 혁신적인 솔루션을 개척하는 것이 바로 우리가 성공을 가늠하는 기준입니다. 미래를 가능하게 할 테스트 기술과 상용화 방안이 현재 개발 중에 있습니다. 차세대 기술의 실현은 뛰어난 기술뿐만 아니라, 글로벌 경제의 요구를 충족시키기 위해 생산량을 확대할 수 있는 도구와 검증된 팀을 바탕으로 이루어집니다.
테라다인의 UltraFLEXplus 밀리미터파 ( mmWave) 계측 장비에 대해 자세히 알아보시고 , 무선 기술의 미래를 함께 만들어갈 협력 기회를 모색하시려면 당사로 문의해 주십시오.
데이비드 본드란(David Vondran) 은 테라다인(Teradyne)의 무선 제품 매니저로, 밀리미터파(mmWave) 애플리케이션을 포함한 대량 생산용 ATE 솔루션을 담당하고 있습니다. 그는 록웰 인터내셔널(Rockwell International), 왓킨스-존슨(Watkins-Johnson), 퍼시픽 모노리틱스(Pacific Monolithics), 캘리포니아 마이크로웨이브(California Microwave), 안리쓰(Anritsu), OML, 라이트포인트(LitePoint), 어드밴테스트(Advantest), 아스트로닉스 테스트 시스템즈(Astronics Test Systems) 등에서 엔지니어링 및 마케팅 관련 직책을 역임했습니다. 데이비드는 캘리포니아 주립 폴리테크닉 대학교 포모나(California State Polytechnic University, Pomona)에서 전기공학 학사 학위를 취득했습니다.