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안테나 일체형 RRH (Remote Radio Antenna, RRA)의 필요성
Why do we need antenna integrated RRH (Remote Radio Antenna, RRA)?
February 18, 2015 | By 김인호 그룹장, KMW AAS 그룹 (inghoo@kmw.co.kr)
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차례

1. 안테나 일체형 RRH를 개발한 배경은?
2. 안테나 일체형 RRH의 특징은?
3. 안테나 일체형 RRH의 향후 시장 전망은?
4. 그리고…. Small Cell 시장에서의 설치 이슈

 

* RRA는 안테나 일체형 RRH solution의 필자 회사 제품 브랜드 명임


1. 안테나 일체형 RRH를 개발한 배경은?

 

스마트폰의 도입과 확산으로 발생한 이동 통신 데이터 트래픽 급증은 예상보다 빠른 4G의 도입을 야기했고 통신 사업자들은 망 구축과 운용 비용 절감에 직면하게 되었다. 이에 이동 통신 기지국의 형태도 기존 건물 내부에 있던 무선 처리부를 안테나와 최단 거리에 설치함으로써 무선 전송 손실을 최소화할 수 있는 RRH 제품의 적용이 보편화되고 있다.

 

현재 대부분의 RRH와 안테나는 건물 옥상, 타워 등 서로 가까운 공간에 설치되지만 여전히 두 제품 간에 송수신 신호를 전달하기 위해 2~3m 정도의 연결 케이블이 필요하다. 기존에는 안테나만 설치되었던 공간에 RRH가 올라옴으로써 다수의 사업자와 주파수 제품들이 설치되는 환경에서 공간 확보와 설치 구조물들의 안정성에 대한 새로운 고민들이 발생하게 되었다.

 

그림 1. 기지국의 진화 및 RRH 적용 실제 타워 모습

 

특히 도심지 건물이나 소형 타워의 경우 도시 환경의 시각적 저해 요소가 되기도 하여, 향후 사업자들의 통신망 구축에 하나의 장애 요소로 작용할 가능성도 있다.

 

Distributed cell site의 이런 고민들을 해결하기 위한 하나의 방안으로 안테나 일체형 RRH solution이 등장하였다.

 

2. 안테나 일체형 RRH의 특징은?

 

2012년 Ericsson의 Antenna Integrated Radio (AIR)를 시발점으로 KMW의 Remote Radio Antenna (RRA1), Huawei의 Active Antenna Unit (AAU) 등이 선을 보이기 시작하였다. 안테나 일체형 RRH들은 다음과 같은 특징을 갖는다.

 

그림 2. 안테나 일체형 RRH solutions: Ericsson (AIR), Huawei (AAU), KMW (RRA)

  • 첫째, 신호 전송 손실 절감 (Between Antenna & RRH)

기존 사이트에서 안테나와 RRH간 연결 케이블의 길이는 보통 2~3m 정도로 이는 약 0.6~0.7dB 정도의 전송 손실을 야기한다. 안테나 일체형 RRH에서는 이를 줄일 수 있어 energy saving이 가능하다. 타사의 안테나 일체형 solution들이 연결 케이블의 길이를 최소화하는데 반해 필자가 개발한 Multi Semi Blind Mating (MSBC) solution은 연결 케이블을 완전히 제거함으로써 전송 손실을 가장 최소화시킬 수 있다. 또한 유일하게 RRH 불량시 현장에서 교체할 수 있는 구조가 가능한 solution이다.

 

현장 교체 solution은 특히 dual band 이상 (예, dual band, tri-band)을 지원하는 제품의 경우 더욱 필요하다. 좀 더 자세히 설명하면 1.8 GHz와 700 MHz를 지원하는 제품에서 1.8 GHz RRH가 고장 난 경우 완전 일체형 제품들은 1.8 GHz 뿐 아니라 정상 작동하는 700 MHZ 제품까지 교체해야 하는 문제가 있다. 실제 일본이나 유럽 사업자의 경우 현장 교체가 가능한 구조를 요구하고 있다.

 

필자는 이런 문제를 해결하기 위해 고장이 발생한 RRH만 현장에서 교체할 수 있는 구조를 개발 중에 있다. 이 구조는 교체 작업이 어려운 현장의 상황을 고려하여 공구도 사용하지 않고, 3단계로 교체가 가능하다. 구현의 핵심은 아래와 같이 3가지로 정리할 수 있다 (그림 3 참조).

 

-    첫째, 작고 가벼운 RRH (2T4R, 12L, 12kg) 개발

-    둘째, Multi Semi Blind Connection (MSBC) solution

-    셋째, 특별한 Latch 구조

 

그림 3. RRA (필자의 안테나 일체형 RRH solution)

  • 둘째, 사업자의 설치 및 운영 비용(CAPEX/OPEX) 절감

기존 구조에서는 안테나와 RRH을 각각 설치하는데 반해 안테나 일체형 RRH에서는 안테나 설치 공간만 필요하기 때문에 설치 및 설치 공간 임대 비용을 절감할 수 있다. 특히 임대 비용은 누적되는 비용이므로 더욱 절감 효과가 크다. 또한, 점점 설치 공간에 대한 부족 문제가 심각해지고 있다.

 

그림 4. 통신 사업자들의 고민

  • 셋째, 설치 구조물에 물리적 하중 절감

타워나 건물 옥상에 설치시 구조물들은 제품의 무게 외에도 바람에 의한 하중을 받게 되는데 RRH를 안테나 뒤에 고정함으로써 RRH의 정면 풍 하중이 제거되었고 구조물에 영향을 최소화할 수 있다. 결국 타워 및 건물 옥상에 좀 더 많은 제품 설치가 가능해진다.

 

그림 5. RRA 타워 설치 사진 (RRH가 안테나 뒤에 있어 바람에 영향을 덜 받음)

  • 넷째, 도심형 구조 및 Passive Inter-modulation Distortion (PIMD) 품질 향상

우리가 건물 옥상 또는 소형 타워에서 흔히 볼 수 있는 도심형 셀 사이트 구조는 안테나와 RRH, 그리고 케이블이 연결되어 있는 구조이다. 필자가 생각하기에 도심형 구조는 최소한 연결 케이블이 없어야 한다. 이 부분에서 가장 앞서있는 것은 사실 Ericsson의 AIR이다 (그림2 참조). AIR은 초기 디자인부터 디자인 전문 업체와 협업을 했기 때문에 개인적으로 가장 좋은 외관을 가졌다고 생각한다. 다만 신뢰성 및 가격 경쟁력 면에서는 후한 평가를 주기는 어려울 것 같다.

 

그리고, 타워에서 안테나와 RRH간의 연결 케이블 작업은 매우 위험하고 어려운 작업이다. 숙련된 작업자가 아닌 이상 실수가 발생할 가능성이 높은데, 이는 PIMD 불량 및 방수 문제로 이어질 수 있다. PIMD란 2개 이상의 주파수가 혼합될 때 그들 주파수 외에 그 기본파와 고조파 (Harmonics) 간의 합성으로 새로운 주파수가 생기는 왜곡 현상을 말한다. 새롭게 생긴 주파수 중 수신 주파수 대역 안에 생기는 왜곡 신호가 수신 성능에 영향을 주기 때문에 PIMD는 RF 제품에서 중요한 특성이 된다. 따라서 이런 현장 작업들을 제거할 수 있다는 것은 매우 의미가 있다.

 

그림 6. 안테나와 RRH 케이블 연결 작업 (작업이 잘 될까?)

 

위에서 살펴본 바와 같이 안테나 일체형 구조는 distributed cell site의 문제점을 해결할 수 있는 여러 특징을 갖는다. 그러나 보수적 성향을 가질 수 밖에 없는 통신 사업자들은 교체하기가 좀 더 어려워지는 안테나 설치 공간으로 RRH를 위치시키는 일체형 구조에 대한 우려를 가지고 있다. 이는 conventional cell site에서 distributed cell site 구조 (그림 1 참조)로 진화 시 무선 처리부 (Filter + Amplifier)를 교체가 편리한 지상에서 타워로 올리는 것에 대한 우려와 유사하다고 볼 수 있다.

 

결국 RRH는 현재 LTE에서 일반적으로 적용되고 있고, Mean Time Between Failure (MTBF)에 대한 부분도 핵심 부품 및 생산 기술의 발전으로 점차 향상 되어 가고 있는 추세이다.

 

3. 안테나 일체형 RRH의 향후 시장 전망은?

 

표 1은 EJL Wireless Research 발표 자료로 안테나 일체형 RRH 시장에 대한 전망을 보여준다. 안테나 일체형 RRH 시장은 2015년 이후 증가세를 보이고 있으며, 필자의 회사도 2015년부터 미국 시장에 제품을 납품할 계획을 가지고 있다.

 

표 1. 안테나 일체형 RRH의 시장 전망 (Semi-Active Antenna가 안테나 일체형 RRH임)

Table 59. Global BTS Semi-Active/Integrated Active Panel Forecast, 2012-2017 (Units)

 Antenna Type 2012  2013E  2014E            2015E  2016E  2017E 
 Passive to BTS via feeder run 677,649  537,551  433,305  376,892  353,703  249,837 
 Passive to RRH 2,565,447  2,350,202  2,239,578  2,087,498  2,078,323 

2,053,354 

 Semi-Active Antenna 60,759  60,404  67,815  71,572  86,891  164,102 
 Integrated Active Antenna 130  100  130  1,000  4,000  13,000 
 Total 3,303,985  2,948,257  2,740,828  2,536,962  2,522,917  2,480,293 

Source: EJL Wireless Research LLC Estimates (September 2013)

 

4. 그리고…. Small Cell 시장에서의 설치 이슈

 

Macro cell 뿐 아니라 이제 small cell (DAS 제외) 설치에 대해서도 논의되고 있다. 타워나 건물 옥상 설치가 가능한 매크로 기지국에 비해 small cell 제품들은 가로등, 버스 정류소, 건물 2~3층 등 사람들에게 직관적으로 보이는 장소에 설치되고, 매크로 기지국에 비해 상당히 많이 설치 될 것으로 예상된다.

 

이에 융•복합 솔루션들이 나오고 있는데 그 중 주목할 만한 솔루션은 KMW의 Green Cell 과 Ericsson의 Zero Site이다. 주요 구성은 에너지 절감이 가능한 LED 가로등과 Small Cell 기지국으로 되어 있고, 가장 큰 장점으로는 환경 개선 효과를 꼽을 수 있다 (Green Cell에는 CCTV 옵션 가능).

 

그림 7. LED 일체형 small cell solutions

 

그러나, 기존 가로등을 철거한 후 신규로 설치할 경우 많은 투자가 필요하고, 관련 법 등 넘어야 할 관문이 많아 지금 당장 구현하기는 쉽지 않다는 문제점이 있다. 하지만 필자가 관심 있는 재생 에너지 부분까지 추가하여 중앙 에너지로부터 독립시킬 수 있다면 미래 도시 계획에 고려해 볼 매력적인 아이디어라고 생각한다.

 

어쨌든 small cell에도 당장의 현실적인 대안들이 나오고 있는데 필자의 결론은 small cell의 중점은 디자인 또는 융•복합에 있어야 한다고 본다. 이는 일반 대중이 통신 설비에 대해 느끼는 비우호적인 인식은 쉽게 바뀌지 않기 때문에, 사업자들이 small cell을 설치할 때에 매크로 기지국을 설치할 때에 비해 제약이 더욱 많아질 것이기 때문이다.

 

어쨌든 현재 가장 일반적인 접근은 매크로 셀과 유사한 일체형 구조인데 위에서 언급한 이유들로 설치 공간을 확보하기가 쉽지 않을 수 있다. 일본 통신 사업자의 경우 이러한 문제에 대한 해결 방안을 제시할 것을 요구하고 있다.

 

그림 8. Small cell solutions

 

또 다른 접근은 간판이나 구조물에 숨기는 것인데 이는 과거 환경 친화를 진행했던 경험에 비추어 볼 때 많은 제품 라인업과 설치 유지 비용으로 인하여 사업자들이 도입하기 매우 어려울 것으로 판단된다.

 

현재 필자가 검토하고 있는 컨셉의 키워드는 자연스러움과 융•복합이다. 일단 단순한 형상 디자인과 은은한 조명으로 통신 장비 느낌을 최대한 배제하려 했고, 가로등, CCTV, beamvertising (벽면에 빔 투사 광고) 등 옵션을 추가해서 단순 통신 장비가 아닌 다양한 기능을 수행하는 플랫폼으로 변신시키고 통신 사업자의 브랜드 향상에도 도움을 줄 수 있는 아이디어들로 채울 것이다.

 

그림 9. Radio Bank (KMW Small Cell Hardware Platform)

 

 

기고자 소개

 

김인호 AAS 그룹장 (inghoo@kmw.co.kr, 031-307-8573)

  • KMW의 RF연구소 Active Antenna System (AAS) 그룹을 맡고 있으며, 안테나와 RF Radio를 연구/개발을 하고 있습니다.
  • 연구/개발 분야: Active Antenna System, RF Radio (Antenna, RRH) 
  • 주요 관심 분야: Beam forming Calibration, Small-cell, Massive MIMO, 방열 및 경량화 구조

 

KMW주주 2015-02-23 13:53:09

RRA시범설치가 잘되서 2016년 먹거리로 잘되었으면 합니다.

jsung 2015-02-24 09:29:30

늦었지만 적절한 지적이라고 봅니다.

kimsang 2015-02-25 17:15:48

오 나와야할 글이 나왔네요. 이런 설명 너무 감사드립니다. 항상 화이팅

김상현 2015-02-25 17:58:46

질문있는데요, SEMI-ACTIVE ANTENNA가 분리형 기지국을 대체하지 못하는 이유는 무엇인가요? 관심이 많아서 공부중입니다. 부탁드립니다.

김인호 2015-02-26 09:58:00

좋은 질문이신데요.. RRH 아이디어가 나오고 대세가 되기 까지도 적지 않은 시간이 걸린 것으로 압니다. 통신 사업자 입장에서는 가장 우선 순위가 끊기지 않는 망이기 때문에 현재까지는 Semi Active Antenna가 줄 수 있는 이득보다 신뢰성에 대한 우려가 더 큰 것으로 압니다. 실제 보수적 성향의 버라이즌 같은 경우 RRH 도입에도 가장 시간이 걸렸던 것으로 알고 있구요.  그렇지만 지속적으로 망 증설이 이루어 지고, 설치 공간이 부족하고, 비용 절감에 대한 이슈가 커지는 상황에서는 RRA는 더 이상 옵션이 아닌 필수가 될 것으로 생각 합니다.,. 실제 통신 사업자 RFP에서 RRA에 대한 요구가 공식적으로 나오고 있습니다.

강병철 2015-02-26 09:41:54

실제 아프리카에서 몇몇 AAS가 설치되는 추세이긴 하지만 아직 RRH 형태를 선호하는것은..결국 돈이겠죠. 유지보수에 따른 기술적 문제도 잇을것이고 FTTA와 같이 케이블이 없어진만큼 광케이블을 올려랴하고.

김인호 2015-02-26 17:53:11

금액적인 부분이라고 한다면 좀 이견이 있는데요...당사 RRA 기준으로 RRH& 안테나 분리 구조 가격과 거의 유사 합니다. 거기다 설치  임대 비용까지 감안하다며 사업자에게는 더욱 이득이 될것입니다.. 그리고 RF 케이블이 없어지는 만큼 광케이블이 늘어나겠지만 그건 길어 봣자 몇미터 정도인데..그 가격 차이가 어느 정도인지는 제가 가격을 모르지만 현장 설치 시 광케이블도 약간의 여유를 가지고 설치 할테니 큰 문제 없을 것이고, 현재로서 가장 우려하는 것은 신뢰성, 유지 보수 문제입니다만...타사 대비 필자가 개발한 RRA의 가장 큰 장점이 기존 안테나 기존 RRH 형태를 그대로 가져가면서 MSBC 기술을 적용 케이블을 없앤 것입니다..그리고 추가로 개발 중인 필드 교체형 구조의 경우는 유지 보수 문제도 해결 할 수 있는 컨셉입니다.~

  

창업매니아 2015-02-27 09:50:35

네. 꼭 비용 측면이라고만 볼수는 없습니다. 이제 활성화된 RRH구조는 이미 99년 00년 쯤 삼성전자에서 pico BTS 개념으로 통신사에 제안하여 장비 운용하였지만 큰 호응을 받지 못하였죠. 이제 10여년이 지나서 기술적으로 완성단계로 들어서서 받아들여졌다고 생각됩니다. RRA도 실제 지금의 eNB를 대체하려면 통신사의 투자가 필요할건데 이미 RRH로 구축된 site를 대체하기는 힘들겠지요. 오히려 신생 통신시장이라면 더 가능성이 있을드한. 그런 의미가 아닌가 합니다.

김인호 2015-03-01 10:59:18

네 정확히 말씀해 주셨네요. 그리고 단순하게 보면 RRA는 안테나와 RRH간의 기구적 결합이기도 하고, 새로운 구조에 대해 시장이 받아들이는 주기가 점점 짧아지는 추세이기 때문에,  망 증설을 계획 하는 통신 사업자들( RRA 구조를 제안하면 가산점 부여)에게는 좋은 솔루션으로 받아 들여 지고 있습니다. 특히 빔포밍(8T8R)이나 MIMO등 케이블들이더 많아 지는 상황에서는요. 좋은 의견 감사 합니다.

원종호 2015-02-26 17:58:27

좋은 정보 감사드립니다.

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