[논문]5G 무선설비 RF 기술기준 및 시험방법

임재우

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電磁波技術 : 韓國電磁波學會誌 = The Proceedings of the Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.29 no.6, 2018년, pp.19 - 25

임재우 (국립전파연구원)

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문제 정의

3.5 GHz와 28 GHz 대역의 5G 무선설비를 적합 인증하기 위한 5G 무선설비 RF 기술기준과 기술기준 적합 유무를 판단하기 위한 시험방법을 마련함에 있어 주요 고려사항을 중심으로 고찰해 보았다. 이를 바탕으로 5G 조기 상용화를 위한 5G 기지국과 단말기가 적합인증 되어 구축·운용 될 수있도록 관련 제도를 정비하였으며, 2019년에는 5G 상용화가 본격화 될 것이 전망된다.
5G 무선설비 RF 기술기준과 시험방법을 설명하기에 앞서 5G 기술과 주파수 이용 환경적 특징을 살펴보고자 한다.
본 논문에서는 세계 최초로 5G 무선설비를 적합인증하기 위한 5G 무선설비 RF 기술기준과 기술기준 적합 유무를 판단하기 위한 시험방법을 중심으로 기술하였다.
가급적 표준화 작업 중인 3GPP의 최신 버전의 표준(안)과 부합하되 국내 시험기관의 시험환경 등을 고려하여 비용과 시간을 최소화 할 수 있도록 하였다. 소출력 무선설비에 적용되고 있는 EIRP 측정 방법과 시험시설을 이용하기 위하여 우선 TRP와 EIRP간의 상관관계를 정립하였다. TRP는 안테나로부터 방사되는 총 전력으로 정의 되며, 안테나 공급전력과 유사한 개념이다.

제안 방법

3GPP 표준은 최대 출력값을 제시하지 않고 있어 이동통신사를 포함하여 이해 당사자 간 협의를 통해 LTE 수준의 출력 값으로 정의하였다. 28 GHz 대역 5G 단말기의 경우는 전파도달 특성이 좋지 못함을 고려하여 3GPP 표준이 정하는 최대 값(EIRP 43 dBm 이하)으로 규정하였으며, 출력의 허용편차(3 dB)의 경우, 3GPP 표준과 부합하도록 전기통신사업용 무선설비 기술기준의 별표로 신설하였다.
LTE인 4G 이동통신까지는 안테나 공급전력의 출력기준을 규정하고 있어 복사 시험방법이 필요 없었다. 28 GHz 대역 5G는 빔포밍을 지원하기 위한 Massive MIMO 안테나 기술과 밀리미터파 주파수를 이용하게 됨으로써 새로운 출력 기준인 총복사전력(TRP)이 기술기준으로 규정되었다. 이를 반영하여 신규 국가표준(안) “5G NR(New Radio) 이동통신 무선설비 복사 시험방법”을 신설하였다 [12] .
28 GHz의 경우는 최대 대역폭 800 MHz(400MHz×2)을 고려하여 총 2.4 GHz 폭이 결정되었으며, 27.5～ 29.5 GHz 대역의 차세대 위성 서비스 도입에 따른 혼․간섭 회피 등의 사항을 공고문에 제시하였다.
3.4 GHz 이하 대역에서 운용 중인 공공 주파수와 간섭 영향을 고려하여 20 MHz 보호대역을 설정하였으며, 이는 5G 주파수 할당 공고문으로도 제시되었다. 기술기준에서도 빔포밍 안테나의 높은 이득의 고출력을 감안하여 간섭해소에 유리한 강화된 스퓨리어스 불요발사 규정(Category B, —30 dBm)을 채택하였다.
5 GHz와 28 GHz 대역의 중계기의 RF 기술기준도 마련되었다. 3.5 GHz대 인접대역의 공공 주파수 보호를 위해 강화된 불요발사 규정을 중계기가 적용을 받지 않기 위해 중계기와 기지국을 명확히 구분하기 위한 사항은 시험방법 국가표준안으로 다음과 같이 규정하였다.
5 GHz 대역의 5G 기지국은 출력기준이 기존의 안테나 공급전력과 유사한 안테나 탭 공급전력으로 규정하게 됨에 따라 LTE 시험방법을 참고하여 “5G NR(New Radio) 이동통신 무선설비 전도 시험방법 국가표준(안)”을 마련하였다^[11] . 4G 대비 5G의 기술 복잡성을 고려하여 3배 이상의 반복 시험증가로 인한 비효율성을 개선하기 위해 간소화된 시험방법을 고려하였다. 출력 사항이 아닌 주파수 허용편차와 대역폭 기술기준 항목의 시험은 최악의 시험 조건에서 1회만 시험하는 것으로 간소화하였으며, 출력 사항의 기술기준 조항의 경우도 가급적 최악의 출력 조건에서 시험하여 불필요한 반복시험을 줄이는 간소화 된 시험방법을 적용하였다.
3GPP에서도 OTA (Over the Air)라 기술된 복사 시험방법이 연구 중으로 세계 최초 5G 상용화라는 국내 실정을 고려하여 선제적으로 시험방법을 마련하였다. 가급적 표준화 작업 중인 3GPP의 최신 버전의 표준(안)과 부합하되 국내 시험기관의 시험환경 등을 고려하여 비용과 시간을 최소화 할 수 있도록 하였다. 소출력 무선설비에 적용되고 있는 EIRP 측정 방법과 시험시설을 이용하기 위하여 우선 TRP와 EIRP간의 상관관계를 정립하였다.
빔포밍 안테나 기술을 적용한 5G 기기의 특성상 출력 사항의 측정을 위해서는 제조사 또는 시험 신청자가 안테나 이득 등의 정보 제공과 수신 안테나 방향으로 고정된 지점으로 최대이득의 안테나 패턴 동작을 지원해 주어야 할 필요가 있다. 시험 기관은 제조사(또는 시험 신청자)의 기술 지원 등의 협조를 통해 TRP 전용 시험 시설을 구축하기 전이라도 기존챔버를 이용하여 TRP 측정 시험이 가능하도록 규정하였다. 특히 측정 거리에 대해서도 원거리장 조건의 측정 거리(#)를 유연하게 적용할 수 있도록 다음과 같은 명시하였다.
인접채널누설전력의 반복 시험의 사례에서도 알 수 있듯이 대역폭(9개) × 변조방식(22개, 단말기) × 시험채널(3개) × SCS(3개) 및 온․습도 환경 조건 변화의 수많은 반복 시험으로 인한 시험 시간과 비용이 증가된다. 이를 효율적으로 줄이기 위한 시험방법 간소화도 적용하였다. 28 GHz 대역 5G의 경우는 새로운 출력 개념인 총복사전력을 측정하기 위한 새로운 출력 측정방법도 마련하였다.
4G 대비 5G의 기술 복잡성을 고려하여 3배 이상의 반복 시험증가로 인한 비효율성을 개선하기 위해 간소화된 시험방법을 고려하였다. 출력 사항이 아닌 주파수 허용편차와 대역폭 기술기준 항목의 시험은 최악의 시험 조건에서 1회만 시험하는 것으로 간소화하였으며, 출력 사항의 기술기준 조항의 경우도 가급적 최악의 출력 조건에서 시험하여 불필요한 반복시험을 줄이는 간소화 된 시험방법을 적용하였다.
항온․항습기 등 별도 시설을 갖춘 챔버 구현이 불가능함을 고려하여 기술기준 시험항목 중 출력 사항이 아닌 주파수 허용편차와 대역폭 항목에 대해서만 환경 조건 시험을 적용 하도록 간소화 하였다. 아울러 부차적 전파발사 기술기준 항목의 경우, 2차 고조파 대역인 56 GHz 주파수에서 —47 dBm/ MHz까지 측정하기 위한 계측기의 동작범위의 한계를 고려하여 아래와 같이 간소화 방안을 마련하였다.

성능/효과

검증 실험을 통해 시험 주파수 18 GHz, 안테나 사이즈 22 cm에서 5.8 m의 이론적 원거리장 측정거리가 1.8 m로 줄어들수 있음을 확인하였다. 물론 TRP를 측정하기 위한 개발 중인 3GPP 표준 시험방법인 DFF(Direct Far Field), IFF(Indirect Far Field)도 국내 시험방법에서 수용하고 있다^[7].

후속연구

아울러 향후 5G 무선망 인프라를 이용한 차량/공장/스마트 시티 등 다양한 형태의 5G 융․복합 서비스 도입에 대비하여 기술기준 및 시험방법 개선을 위한 선행 연구도 추진할 예정이다.
이를 바탕으로 5G 조기 상용화를 위한 5G 기지국과 단말기가 적합인증 되어 구축·운용 될 수있도록 관련 제도를 정비하였으며, 2019년에는 5G 상용화가 본격화 될 것이 전망된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	4차 산업혁명의 핵심 원동력인 5G 무선 네트워크망을 세계 최초로 확보하려는 그간의 노력은 무엇이 있는가?	5 GHz 대역 5G 무선설비 RF 전도특성을 시험하기 위한 시험방법 국가표준안이 마련되었으며, 이후 11월 28 GHz 대역 복사 특성을 시험 방법 국가표준안도 마련되었다. 이를 바탕으로 세계 최초로 5G 기지국과 단말기가 적합인증 되어 시장에 출시되고 구축·운용됨으로써 2018년 12월 1일 세계 최초 5G 조기 상용 화를 통한 2019년 5G 상용화 서비스가 본격화 될 전망이다. 4차 산업혁명의 핵심 원동력인 5G 무선 네트워크망을 세계 최초로 확보하려는 그간의 노력이 실현되어가고 있다.
	기술기준이란?	기술기준(Technical Regulation)은 정부가 안전, 환경, 보건등 국민의 안전과 권리를 보호하기 위해 마련한 기술규범으로 법률에 의한 강제규정이다. 특히 무선설비 RF 기술기준은 전파의 혼․간섭 방지 및 기존의 망 유해 등을 고려하여 최대 출력, 대역폭, 불요파(대역외 발사, 스퓨리어스) 등 주로 출력에 관한 사항이다.
	국내 5G용 주파수는 어떻게 공급되는가?	국내 5G용 주파수로 3.5 GHz와 28 GHz 대역의 총 2.68GHz 폭을 동시 공급하게 되었으며, 3.5 GHz의 경우는 3,400MHz 이하의 공공 레이다와 혼․간섭을 고려하여 20 MHz보호대역 설정으로 3,420～3,700 MHz 대역의 280 MHz 폭이 결정되었다.

참고문헌 (12)

3GPP 38.104 V15.2.0 (2018-06): 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; NR; Base Station (BS) Radio Transmission and Reception (Release 15).
3GPP TS 38.101-1 V15.2.0 (2018-06): 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; NR; User Equipment (UE) Radio Transmission and Reception; Part 1: Range 1 Standalone (Release 15).
3GPP TS 38.101-2 V15.2.0 (2018- $\times$ ): 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; NR; User Equipment (UE) Radio Transmission and Reception; Part 2: Range 2 Standalone (Release 15).
3GPP TS 38.101-3 V15.2.0 (2018- $\times$ ): 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; NR; User Equipment (UE) Radio Transmission and Reception; Part 3: Range 1 and Range 2 Interworking operation with other radios (Release 15).
3GPP TS 38.141-2 V0. $\times$ .0 (2018- $\times$ ): 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group RAN; NR; Base Station (BS) Conformance Testing Part 1: Conducted Conformance Testing (Release 15).
3GPP TS 38.521-2 V0. ${\times}.{\times}$ (2018- $\times$ ): 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; NR; User Equipment (UE) Conformance Specification; Radio Transmission and Reception; Part 1: Range 1 Standalone (Release 15)
3GPP TR 38.810 V ${\times}.{\times}$ .0 (2018- $\times$ ): 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group RAN; Study on Test Methods for New Radio (Release 15).
전기통신사업용 무선설비의 기술기준, 국립전파연구원 고시 제2018. 8. 17., 일부 개정.
KS X 3123, 무선설비적합성평가 시험방법, 2018. 7. 20., 일부 개정.
KS X 3142, LTE 이동 통신 무선 설비 특성 시험방법, 2018. 7. 20., 일부 개정.
KS X 31 ${\times}{\times}$ , 5G NR(New Radio) 이동 통신 무선 설비 전도 시험 방법, 국립전파연구원 홈페이지 전자공청회.
KS X 31 ${\times}{\times}$ , 5G NR(New Radio) 이동 통신 무선 설비 복사 시험 방법, 국립전파연구원 홈페이지 전자공청회.

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