능동 안테나 시스템 (Active Antenna System) 개발 및 특징

Development and Features of Active Antenna Systems

April 01, 2016 | By 이문식 @ KMW (mslee@kmw.co.kr), 최오열 @ SK Telecom (ohyeoul@sk.com)

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KMW의 이문식 팀장님과 SK 텔레콤 최오열 매니저님이 기고해주신 글입니다. 바쁘신 와중에 기고글을 작성해주신 두 분께 감사드립니다.

차례

1. 능동 안테나시스템 (AAS) 개발 배경
2. 능동 안테나 시스템 (AAS) 개념
3. 시스템 개발 및 특징
4. Field Trial

5. 향후 계획

능동 안테나 시스템 (Active Antenna System; AAS)은 기지국용 안테나의 각 소자마다 RF 능동 모듈이 결합되어 배열되어 있다. 디지털 빔포밍 (Beamforming)을 통해 셀 환경에 적합한 다양한 빔 패턴을 구현할 수 있고 수직적 섹터구분 (Vertical Sectorization)을 통해 주파수 효율을 증대시킨다. 본고를 통해 당사에서 개발한 AAS의 개념 및 특징을 알아보도록 한다.

※ 본 프로젝트는 SK텔레콤의 과제로 진행되었으며 2013.07~2015.06 2년간 공동개발 진행하였음

1. 능동 안테나 시스템 (AAS) 개발 배경

급속한 디지털 기술의 발전에 따라 이동통신 기술은 꾸준히 발전해 왔으나 LTE 이후에는 발전이 정체되고 있다. 반면에, LTE 가입자, connected device 및 mobile video 사용량의 증가와 네트워크 기술의 진화로 모바일 트래픽은 기하급수적으로 증가하고 있다.

이를 극복하기 위해 무선환경 효율성 및 셀 분할을 증대하기 위한 기술이 연구/개발되고 있다. 안테나 기술인 능동 안테나 시스템 (AAS)도 오래 전부터 개발이 시도되어왔다. 하지만, 구성 부품의 크기가 안테나 소자보다 커서 구현하기가 쉽지 않았는데, 이제 부품들이 소형화되고 디지털 기술이 발전함에 따라 개발이 이루어지고 있다.

대표적인 AAS 시스템으로는 그림 1과 같이 Alcatel-Lucent (Now, Nokia)의 Light Radio Cube가 있고, 그 외에 그림 2와 같이 NSN, Socowave, Huawei의 AAS가 있으며, 작년에는 당사 AAS가 개발되었다.

그림 1. AAS 예 (1): Light Radio Cube by Alcatel-Lucent (Now Nokia)

그림 2. AAS 예 (2)

2. 능동 안테나 시스템 (AAS) 개념

능동 안테나 시스템 (AAS)은 안테나 소자마다 능동형 모듈이 장착되어 소자간 진폭과 위상을 원하는 대로 조정할 수 있는 시스템으로, Dolph-chebyshev, Cosecant squared beam, Null filling 등 다양한 빔 패턴을 만들어 낼 수 있는 장점이 있다. 특히, 안테나 로브를 더욱 세밀하게 제어하여 채널 간섭 및 전력을 절감할 수 있다. 또한 수직 방향으로 섹터를 분리할 수 있는데 이는 동일한 주파수 자원을 활용하기 때문에 주파수 효율 개선에 기여할 수 있다.

당사 AAS는 특히, 일부 모듈 고장 시에도 서비스 중단 없이 운영 할 수 있는 self-healing 알고리즘이 구현되어 있다. 또한, 3D 빔포밍이 가능하여 이를 통해 셀 최적화가 가능해졌다

• 수직 섹터화 (Vertical Sectorization)

수직 방향으로 섹터를 분할하여 capacity를 증대시킨다.

그림 3. 수직 빔포밍 기술 개념도 (source: SK텔레콤)

(참고: KMW - SK 텔레콤 수직 빔포밍 시연)

• 3D 빔포밍 (3D Beamforming)

3D 빔포밍 특성을 기반으로 간섭을 억제하여 RF 품질 (ex. SINR)을 향상시킨다.

그림 4. 3D 빔포밍

• 디지털 멀티빔 (Digital Multi-beam)

복수의 독립 빔이 요구되는 경우, 디지털 빔포밍은 추가적인 analog 또는 RF 하드웨어 (#beams ~ FPGA capacity) 없이 강력한 솔루션이 될 수 있다.

그림 5. 디지털 멀티빔

3. 시스템 개발 및 특징

당사 AAS는 동작 주파수 2.6 GHz, EIRP 64.5 dBm의 2T2R (40W/1T) 기지국용 제품이다. 이 장에서는 시스템 특징을 간단히 살펴본다.

먼저, 당사의 강점인 안테나, 필터와 같은 Passive 부품들의 소형화 및 케이블을 사용하지 않는 Blind Mating 설계를 통해 2.6 GHz 대역의 안테나 소자 하나에 능동 모듈을 구현하였다.

그림 6. AAS RF TRX 모듈

전체 시스템 구성에서 보면 케이블을 거의 사용하지 않아 제작이 용이하며, 열 분산 및 간극 설계를 통해 방열 문제를 해결하였다.

그림 7. AAS 구성

또한 전원 및 신호 입력은 광전 (Optic+Power) 커넥터를 사용하여 AAS 설치시 하나의 케이블만 연결하도록 구현하였기 때문에 시스템의 설치 유지 보수가 간편해졌다.

그림 8. 광전 커넥터

일반적으로 AAS는 원하는 빔을 만들기 위해 각 소자마다 크기와 위상의 가중치를 주는데, 능동소자가 배열되다 보니 초기 동작 시 또는 운용 중에 능동소자의 비선형성에 의해 크기와 위상의 변화가 발생하게 된다. 이를 해결하기 위하여 본 제품에는 각 송수신 path의 변화를 감지하여 오차를 보정함으로써 운용 중에도 빔의 왜곡을 방지할 수 있는 기능이 내재되어 있다. 특히, Digital Unit (DU)의 관여 없이 AAS 자체적으로 오차를 보정함으로써 LTE 서비스에 영향을 미치지 않는 'On Service Calibration 알고리즘은 특허로 출원되어 있다.

또한, 각 path별 시간도 동일하도록 보정하여 AAS의 내제된 Error Vector Magnitude (EVM) 왜곡이 추가로 발생하지 않도록 하였다. RF TRX 모듈 고장 시 필드에서 교체가 가능한데, 이 점은 Self Healing과 더불어 설치 후 고장 상황에 대해 타사 대비 경쟁력 있는 솔루션으로 평가받고 있다.

그림 9. KMW의 능동 안테나 시스템 (AAS)

4. Field Trial

2015년 5 ~ 6월에 분당에서 SK 텔레콤과 필드 시험을 통해 성능 검증을 한 바, 수직 섹터 분할 여부에 따라 (V/S off 와 V/S on 비교) downlink 최대 64%의 용량 증대 효과가 확인되었다. 그림 10에서 두 국소의 각 수직 섹터 분할을 통해 4개의 셀로 구분되는 것을 볼 수 있다. 첫 번째 국소는 오른쪽에 있는 굵은 빨간원 (First Tower 빌딩)이고, 두 번째 국소는 왼쪽에 있는 굵은 빨간원 (SK 텔레콤 사옥)이다.

그림 10. Field PCI 분포도 (4-sector)

그림 11. AAS Field 설치 모습: 1st BTS (오른쪽), 2nd BTS (왼쪽)

5. 향후 계획

당사는 향후 5G의 데이터 수요를 대비하기 위해 수십, 수백 개의 안테나가 array된 Massive MIMO 기술 개발을 검토하고 있다. Massive MIMO 개발을 위해서는 빔포밍 알고리즘의 고도화 및 더 빠른 Calibration 등이 필요하다. 또한 상용화를 위해 더 경량화하고 가격 경쟁력을 높일 필요가 있다.

1 column AAS 개발 및 필드 성능 검증을 통한 실제 경험을 바탕으로 안테나 및 모듈 최적화, 방열 기술, 원가 경쟁력, 경량화, 신뢰성, calibration 구현 등의 개선을 통해, 향후에는 5G의 핵심 기술인 massive MIMO를 개발하여 선보일 계획이다.