5G 인빌딩 서비스를 위한 28GHz 중계기용 RU 시스템 설계 = RU system design for 28GHz repeater for 5G in-building service

국문 초록 (Abstract)

우리나라에서는 2019년 4월에 세계최초로 5G 이동통신을 상용화한 후 커버 리지를 점차 확장하고 있으나 28GHz 대역은 아직 상용화 전이다. 본 논문에서 는 5G에서 28GHz 대역을 활용하여 이동통신 서비스를 제공함에 있어 공간의 전파를 이용하여 언제, 어디서나 자유롭게 이동하면서 통신 서비스를 제공할 수 있는 특징을 기술하였다. 5G NR(5G New Radio: 3GPP가 정의하는 5G 기술 규격)을 기존 이동통신 기술규격 등과 비교했을 때, 다른 점은 초고속 데이터 전송, 초신뢰/초저지연 데이터 전송 그리고 초다수의 IoT 연결 제공 등의 위 세가지 종류 특성을 모두 제공한다는 점이다. 또한, 다양한 Numerology 및 망 구조를 수용하고 있다는 점과 우리나라에서는 28GHz로 알려진 mmWave 주파 수 대역에 관한 기술을 정의하고 있다는 점이다. 28GHz 대역의 시스템 설계 시, 전파손실 측면에서는 자유 공간 경로 손실, 대기 감쇠 및 강우 감쇠, 산림 에 의한 손실, 산란과 회절, 실내외 투과 손실 등 여러 전파손실을 고려해야 한다. mmWave 대역의 이러한 특성을 극복하기 위한 방법 중 가장 중요한 기 술 중 하나가 빔포밍 (Beamfoming) 기술이며, Deployment 측면에서는 짧은 커 버리지 단점을 보완하는 5G 스몰셀 할당 기법이다. 본 논문에서는 28GHz 대 역의 RF 송·수신기 및 도파관 안테나와 28GHz BPF를 일체형으로 조립이 가 능한 구조로 제작하고 측정 결과를 분석하였다. RF 송·수신기 모듈은 일반 FR -4 다층기판으로 제작하여 송신기, 수신기, 주파수 합성기, 그리고 전원부 및 제어부로 구성하였다. 송·수신기는 UP/DOWN 방식을 사용하여 구성하고 중간 주파수를 100MHz를 받아 체배를 통해 주파수 범위는 송신부는 1900~2700MHz로, 수신부는 700 ~ 1500MHz로 변 환된다. 이 신호들은 각각 별도의 LO를 사용하여 최종적으로 출력주파수인 28GHz로 만들어진다. 송신 모드의 이득은 48dB이며, EVM(Error Vector Magnitude)은 3%이다. 수신 모드의 이득은 30dB이며, 잡음 지수(Noise Figure) 는 6dB이다. 안테나는 1*1단일 혼 안테나, 2*4 배열 혼 안테나 구조의 도파관 안테나를 사용하였다. 안테나는 단일 도체로 둘러싸인 중공관인 도파관을 통해 전력을 전송하도록 구성되었으며, 손실을 줄이고 조립을 쉽게 하기 위해 표준 WR28 을 적용하였다. 단일 혼 안테나는 이득이 17dBi이며 빔폭은 Vertical, Horizontal 50°이상 만족하여, 배열 혼 안테나는 이득은 17dBi이며 빔폭은 Vertical, Horizontal 5°이상 결과를 갖는다. 본 논문에서는 Ka-Band 대역 활용 및 구현 주파수 대역을 고려하는데 효과 적인 WR28 도파관을 이용하여 송수신기 RF 모듈과 안테나 사이의 대역통과 필터 연결을 설계하였고, 2dB 삽입 손실 결과를 도출하였다. 송·수신기의 성능을 검증하기 위해 중계시스템 장비에 연결하여 실험하였 다. Signal Generator를 이용하여 주파수를 발생하고 Spectrum Analyzer을 이 용하여 송출하는 신호의 EVM(Error Vector Magnitude), ACLR(Adjacent Channel Leakage Ratio), SEM(Spectrum Emission Mask)을 측정하였다. 본 논문 에서는 송신기 입력은 중간 주파수를 받아 BPF (Band pass filter)를 통해 안테 나 신호가 전달된다. 5G 계측기를 통해 인빌딩용 28GHz RF(Radio Frequency) 송·수신기 일체형 성능을 검증하였다. 향후 연구에서는 28GHz 대역 기지국이 3.5GHz 5G 대역 기지국과 LTE 대 역 기지국이 모두 협력하여 신호 특성이 좋지 않은 28GHz 대역의 문제점을 보완할 수 있는 기술을 개발할 예정이다.

목차 (Table of Contents)

• 표 목 차 ⅰ
• 그림목차 ⅱ
• 국문 요약 ⅲ
• 제1장 서론 1
• 제1절 연구 배경 및 필요성 1
• 제2절 논문의 목적 및 구성 6
• 제2장 5G NR (New Radio ) 무선 중계 기술 8
• 제1절 5G NR 무선 중계 기술 8
• 제2절 송·수신기 적용과 고려 사항 12
• 제3절 안테나 및 BPF 적용과 고려 사항 19
• 제3장 무선 중계시스템 송수신 모듈 및 안테나 설계 및 제작 22
• 제1절 28GHz mm Wave 송수신 설계 · 22
• 제2절 안테나의 설계 31
• 제3절 28GHz mm Wave BPF설계 · 39
• 제4절 성능 실험 절차 · 48
• 제5절 성능 실험 결과 · 59
• 제4장 결론 65
• 참고문헌 67
• Abstract 70