5G에 mmWave를 선택하는 이유는 무엇입니까?

3GPP 38.101 협정에 따르면 5G NR은 주로 FR1 주파수 대역과 FR2 주파수 대역의 두 가지 주파수 대역을 사용합니다. FR1 주파수 대역의 주파수 범위는 450MHz-6GHz, sub 6GHz 주파수 대역이라고도 하며, FR2 주파수 대역의 주파수 범위는 일반적으로 밀리미터파(mmWave)라고 하는 24.25GHz-52.6GHz입니다.

역사상 오랫동안 밀리미터파 대역은 야생에 속해 있었습니다. 왜요? 그 이유는 밀리미터파를 송수신할 수 있는 전자 부품이나 장치가 거의 없기 때문에 간단합니다. mmWave를 전송하거나 수신하는 전자 장치가 없는 이유는 무엇입니까? 두 가지 이유가 있습니다.

첫 번째 이유는 밀리미터파가 더 큰 대역폭과 더 높은 데이터 속도를 제공할 수 있지만 이전 모바일 응용 프로그램에는 그렇게 큰 대역폭과 높은 데이터 속도가 필요하지 않았고 밀리미터파에 대한 시장 수요가 없었기 때문입니다. 그리고 밀리미터파는 너무 큰 전파 손실, 너무 작은 적용 범위 등과 같은 몇 가지 분명한 한계가 있습니다.

두 번째 이유는 mmWave가 너무 비싸기 때문입니다. 밀리미터파 주파수 대역에서 작동할 수 있는 서브마이크론 크기의 집적 회로 부품을 생산하는 것은 어려운 일이었습니다. 전파 손실을 극복하고 적용 범위를 개선하는 것도 많은 돈을 의미합니다. 그러나 지난 10년 동안 모든 것이 바뀌었습니다.

이동통신의 급속한 발전으로 30GHz 이내의 주파수 자원은 거의 소진되었습니다. 정부와 국제 표준화 기구는 모든 "좋은" 주파수를 할당했지만 여전히 주파수 부족과 주파수 충돌이 있습니다. 4G 셀룰러 시스템과 다가오는 5G의 개발은 적절한 주파수 할당에 달려 있습니다. 문제는 남은 주파수가 거의 없다는 것입니다.

밀리미터파는 아메리카 대륙의 새로운 대륙과 같으며 모바일 사용자와 모바일 운영자에게 "무한한" 주파수 리소스를 제공합니다.

밀리미터파는 넓은 대역폭과 빠른 속도를 제공합니다. 6GHz 이하 대역 기반의 4G LTE 셀룰러 시스템이 사용할 수 있는 최대 대역폭은 100MHz이며, 데이터 전송 속도는 1Gbps를 넘지 않는다. mmWave 대역에서 모바일 애플리케이션이 사용할 수 있는 최대 대역폭은 400MHz이며 데이터 속도는 10Gbps 이상입니다.

수요는 항상 혁신의 가장 큰 동인입니다. 저렴하고 고품질의 밀리미터파 대역 집적 회로 부품을 생산하는 기술적인 어려움은 빠르게 극복되었습니다. SiGe, GaAs, InP 및 GaN과 같은 새로운 재료와 새로운 생산 공정을 사용하여 수십 또는 심지어 수 나노미터의 작은 트랜지스터가 밀리미터 파장대에서 작동하는 칩에 집적되어 비용이 크게 절감됩니다.

이제 20GHz와 300GHz 사이의 밀리미터파를 자유롭게 사용할 수 있습니까? 아직 아님. 밀리미터파 주파수를 임의로 사용할 수 없는 이유는 무엇입니까? 전파가 전파되면 대기는 특정 주파수(파장)의 전자파를 선택적으로 흡수하므로 이러한 전자파의 전파 손실이 특히 심각합니다. 전자파를 흡수하는 대기 성분은 주로 산소와 수증기의 두 가지입니다. 수증기에 의한 공명은 22GHz와 183GHz 부근의 전자파를 흡수하는 반면, 산소의 공명 흡수는 60GHz와 120GHz 부근의 전자파에 영향을 미친다. 따라서 우리는 어떤 조직이 밀리미터파 자원을 할당하든 상관없이 이 4가지 주파수 근처의 주파수 대역을 피할 것임을 알 수 있습니다.

가장 중요한 한계 중 하나는 mmWave 이동이 실제로 제한된다는 것입니다. 물리 법칙에 따르면 파장이 짧을수록 동일한 전송 전력에서 전파 거리가 짧아집니다. 많은 시나리오에서 이러한 제한으로 인해 mmWave 전파 거리가 10미터를 넘지 않습니다. 모든 것에는 양면이 있습니다. 작은 전파 거리는 때때로 밀리미터파 시스템의 장점입니다. 예를 들어 밀리미터파 신호 간의 간섭을 줄일 수 있습니다. mmWave 시스템에 사용되는 고이득 안테나는 지향성이 우수하여 간섭을 더욱 제거합니다. 이러한 협폭 빔 안테나는 전력과 커버리지를 높이는 동시에 보안을 강화하고 신호가 도청될 가능성을 줄입니다.

또한 "고주파" 제한 요소는 안테나의 크기를 줄여서 또 다른 예상치 못한 놀라움을 선사합니다. 우리가 사용하는 안테나의 크기가 1/2 파장 또는 1/4 파장과 같이 무선 파장에 대해 고정되어 있다고 가정하면 반송파 주파수를 높이면 안테나가 점점 작아집니다. 예를 들어, 900M GSM 안테나의 길이는 약 수십 센티미터인 반면 밀리미터파 안테나는 몇 밀리미터에 불과할 수 있습니다. 즉, 같은 공간에 더 많은 고대역 안테나를 집어넣을 수 있습니다. 이를 바탕으로 안테나 어레이의 크기를 늘리지 않고도 안테나 수를 늘려 고주파 경로 손실을 보상할 수 있다. 이를 통해 5G mmWave 시스템에서 대규모 MIMO 기술을 사용할 수 있습니다.

이러한 한계를 극복하고 밀리미터파로 작동하는 5G 시스템은 고화질 영상, 가상현실, 증강현실, 무선기지국 백홀(백홀), 근거리 레이더 탐지, 밀집된 도시 정보 등 4G가 제공할 수 없는 많은 서비스를 제공할 수 있다. 서비스, 경기장/콘서트/쇼핑몰 무선통신 서비스, 공장자동화제어, 원격진료, 보안감시, 지능형교통시스템, 공항보안검색 등 밀리미터파 대역의 개발 및 활용은 5G 애플리케이션을 위한 넓은 공간과 무한한 상상력을 제공합니다.

3GPP가 5G NR이 OFDM 기술을 계속 사용하기로 결정한 이후로 4G에 비해 5G는 파괴적인 기술 혁신이 없으며 밀리미터파는 거의 5G의 가장 큰 "새로운 아이디어"가 되었습니다. 매시브 MIMO, 새로운 수비학(부반송파 간격 등), LDPC/폴라 코드 등과 같은 5G의 다른 신기술 도입은 밀리미터파와 밀접하게 관련되어 있으며, 모두 OFDM 기술이 더 잘 확장될 수 있도록 합니다. 밀리미터파 대역 . 밀리미터파의 큰 대역폭 특성에 적응하기 위해 5G는 다중 부반송파 간격을 정의하며, 그 중 더 큰 부반송파 간격(60KHz 및 120KHz)은 밀리미터파용으로 특별히 설계되었습니다. 앞서 언급한 대규모 MIMO 기술도 밀리미터파에 맞게 조정되었습니다. 따라서 5G는 "mmWave로 확장된 향상된 4G" 또는 "mmWave로 확장된 향상된 LTE"라고도 할 수 있습니다.