[TECH REPORT] 셀룰러 DAS 통합 솔루션을 활용한 무선 커버리지 확장

[아나로그디바이스=하메드 M. 사노고(Hamed M. Sanogo) 통신 및 클라우드용 최종 시장 스페셜리스트] 상업용 빌딩이나 스포츠 경기장 같은 곳에서는 우수한 품질의 셀룰러 커버리지가 요구되지만 이러한 환경에서는 신호 수신을 어렵게 하는 요소들이 존재하기 마련이다.

이 글에서는 빌딩 구조물 내의 셀룰러 커버리지와 용량을 확장하는 데 있어 핵심역할을 하는 분산형 안테나 시스템(DAS : Distributed Antenna System) 구현을 위한 포괄적인 솔루션을 소개한다.

특히 양방향 증폭기(BDA : Bidirectional Amplifier) 또는 원격 액세스 장치(RAU : Remote Access Unit) 장비와 결합된 RF 트랜시버를 포함하는 고도의 통합 시스템을 사용할 때의 이점에 대해 자세히 알아본다. 이 글에서 제시된 블록 다이어그램을 통해 해당 솔루션을 살펴보면 이러한 요소들이 어떻게 함께 작동하는지 이해할 수 있을 것이다.

상업용 빌딩이나 스포츠 경기장 같은 장소에서는 많은 사용자들에게 매끄러운 접속을 제공하기 위해 향상된 셀 룰러 커버리지가 요구된다. 하지만 오늘날 대형 상업용 빌딩이나 병원, 스포츠 경기장에서는 두꺼운 강철, 콘 크리트 등 에너지효율이 높은 유리벽 같은 것들이 셀룰러 신호가 사용자의 휴대전화에 도달하는 것을 방해할 수 있다.

다시말해 다른 건축소재들보다 특히 견고한 건축물과 짙은 색조의 유리창이 빌딩을 RF 차폐물처럼 만드는 것이다. 뿐만 아니라 높이 솟은 구조물은 인근의 셀룰러 망에 큰 RF 간섭을 주게 되며 이는 서비스 품질저하로 이어질 수 있다. 한정된 공간에 많은 사람이 밀집할 경우 용량 초과가 휴대전화 수신 불량의 또 다른 원인이 될 수 있다.

이처럼 다양한 요인들이 복합적으로 작용하면 이들 장소에서 휴대전화 수신이 어려울 수 있다. 통합 DAS 솔루션은 우수한 셀룰러 서비스를 가능하게 하고 미래 무선 네트워크의 성장을 가속화하는 데 있어 핵심적인 역할을 한다.

DAS란?
DAS는 빌딩 이용자들에게 신뢰할 수 있는 셀룰러 커버리지를 제공하기 위한 빌딩 내 무선 향상 시스템이다. DAS는 공간적으로 분산된 안테나 노드들의 네트워크로서 셀룰러 범위를 확장하고 신호 강도를 높임으로써 밀집된 실내외 장소에서 뛰어난 셀룰러 커넥티비티를 제공할 수 있다.

DAS는 저마다 다르게 구현돼 서로 다른 DAS가 완전히 똑같을 수는 없지만 통상적으로 도너 안테나, RF 신호 BDA 혹은 부스터, 무선 사업자의 BTS(Base Transceiver Station), 광섬유 분배 헤드엔드, RAU, 그리고 빌딩 내에 전략적으로 배치된 많은 실링 안테나들로 구성된다. 경우에 따라서는 사업자당 한 개씩 또는 여러 대의 BTS가 설치될 수도 있다.

종종 여러 RF 피드를 결합한 다음 이를 헤드엔드로 전달하기도 하는데 이 헤드엔드가 마스터 분배 유닛이다. 도너 안테나는 빌딩 지붕에 설치돼 통신사업자로부터 신호를 송신 및 수신하고 적절하게 설치된 RF 신호 BDA를 통해 빌딩 내부로 무선 신호를 전달한다.

그러면 헤드엔드 장비가 다양한 광섬유 케이블을 통해 RAU로 전달한다. RAU는 다시 동축 케이블을 통해 안테나 시스템으로 전달한다. 단일 RAU가 여러 대의 실링 안테나들로 신호를 제공할 수 있다. <그림 1>은 통상적인 전체 DAS 아키텍처를 보여준다.    

빌딩 내 무선 커버리를 향상하기 위한 두 가지 큰 흐름이 있는데 하나는 오직 한 개의 RF 부스터 또는 BDA 제품만을 사용하는 것이고(신호를 전달하기 위한 단순한 리피터로서 패시브 DAS라고도 함), 다른 하나는  <그림 1>에서와 같이 완전한 액티브 DAS 시스템을 사용하는 것이다.

상황에 따라 상업용 빌딩 내에서의 무선 커버리지와 용량을 향상하기 위해 패시브 및 액티브 DAS 신호 분배 시스템을 모두 사용하기도 한다. 분배 시스템이 패시브 타입과 액티브 타입의 측면을 모두 갖고 있을 때 이를 하이브리드 DAS라고 한다.

양방향 증폭기(BDA)
RF신호는 도너 안테나로부터 거리가 멀수록 장거리 동축케이블에서 나타나는 감쇠로인해 신호가 점점 더 약해진다. 이 같은 현상을 피하거나 혹은 완화하기 위해 패시브 DAS는 다양한 다중대역 RF 리피터를 사용해 신호를 증강 또는 증폭하고 재구동한다.

이를 위해 BDA 프런트엔드는 필터, 저잡음 증폭기(LNA : Low Noise Amplifier), 그리고 때에 따라 자동 이득제어(AGC : Automatic Gain Control) 회로로 이뤄진다. AGC 회로는 RF 전력 레벨을 제한할 뿐만 아니라 BDA를 손상이나 왜곡으로부터 보호하도록 설계할 수 있다. 또한 BDA는 무선주파수 신호를 동시에 양방향으로 증폭할 수 있다.

이들은 실제 무선 신호를 변조, 변경하거나 어떤 식으로든 왜곡하지 않는다. BDA의 주된 목적은 빌딩 전체에 걸쳐 RF 신호를 강하게 유지할 수 있게 하는 것이다. 대부분의 BDA 모듈은 동시에 여러 캐리어를 증폭하도록 설계되며 이를 사용하는 것에 대해 사업자들과 별도의 계약이 필요없다. <그림 2>는 RF 신호 증폭 및 재전송을 위한 BDA의 높은 수준의 블록 다이어그램과 적합한 전자부품들을 보여준다.

DAS 원격 액세스 장치(RAU)
DAS 헤드엔드 장비는 아날로그-디지털 변환을 수행하고 단일 또는 다중 캐리어로부터 RF 신호를 변환한다. 그렇기 때문에 액티브 DAS를 설치하기 위해서는 일반적으로 각 사업자들로부터 승인이 필요하다.

RF 신호를 디지털화하고 이것을 고대역폭 광섬유 케이블을 통해서 전송함으로써 신호를 높은 대역폭으로 훨씬 더 먼 거리까지 최대의 강도로 전송할 수 있으며 상업용 빌딩 전체에 걸쳐서 각각의 층마다 전략적으로 설치된 모든 RAU에 대해 손실을 최소화할 수 있다. 이런 프로세스 덕분에 신호들이 간섭에 훨씬 덜 취약하다.

RAU는 디지털 광섬유 신호를 다시 아날로그 RF로 변환하고 DAS 실링 안테나로 전달한다. RAU를 동축 케이블을 통해 멀리있는 실링 안테나로 연결해 더 넓은 커버리지와 거리를 제공할 수 있는데 이를 통해 모든 사용자가 우수한 셀룰러 커넥티비티를 누릴 수 있다.

<그림 1>에서는 헤드엔드와 모든 RAU들 사이에 광섬유 케이블 연결이 사용되고 있는 것을 알 수 있다. DAS에서 핵심적이면서도 매우 중요한 기능이 RAU인데 이는 RF 용량을 확장할 수 있게 해준다. RAU의 주된 용도는 디지털-대-RF 및 RF-대-디지털 변환이다. ADRV902x 제품군처럼 ADI의 고도로 통합적이면서 민첩한 RF 트랜시버 솔루션은 RAU가 복잡한 작업을 수행할 수 있게 해주는 핵심적인 IC 제품들이다.

<그림 3>은 통상적인 DAS RAU의 높은 수준의 블록 다이어그램을 보여준다. <표 1>은 몇 가지 추천 부품들의 기능과 부품번호들을 나열한 것이다. 이 다이어그램에서는 이 플랫폼을 위한 부품을 여러가지 제안하고 있는데 이 글에서는 RF 트랜시버인 ADRV9029와 그에 따른 몇몇 전원부품에 국한해 설명할 것이다.

고도로 통합적인 Zero-IF 샘플링 아날로그 트랜시버 : ADRV9029
ADRV9029는 고도로 통합적인 zero-IF 샘플링 아날로그 트랜시버로서 광대역 신호를 합성 및 디지털화할 수 있다. 이 디바이스는 주파수 분할 다중통신(FDD : Frequency Division Duplex)과 시간 분할 다중통신 (TDD : Time Division Duplex) 애플리케이션 모두에 사용할 수 있다.

이 디바이스는 DAS 셀룰러 인프라 애플리케이션이 요구하는 성능을 제공한다. 특히 RAU에 사용하기에 적합하며 디지털 프런트엔드 블록에서 경쟁사 제품들과 차별되는 두 가지 핵심 기능을 포함한다.

디지털 전치왜곡(DPD : Digital Predistortion) 적응 엔진과 파고율 저감(CFR : Crest Factor Reduction) 엔진이 그것이다. DAS 시스템이 엄격한 지연시간을 요구하는 경우에는 CFR을 바이패스할 수 있다. <그림 4>는 ADRV9029의 기능 블록 다이어그램을 보여준다.

디지털 전치왜곡(DPD) 기능
DPD 기능은 무선 시스템이 전력 증폭기(PA : Power Amplifier)를 포화에 가깝게 구동할 수 있게 함으로써 선형성을 유지하면서 전력 증폭기 효율을 높인다.

이는 DPD 기능이 PA의 선형 동작 범위를 확장함으로써 더 높은 전력 증폭기 효율을 달성하는 동시에 송신 신호 체인에서 인접 채널 누설비(ACLR : Adjacent Channel Leakage Ratio) 요건을 여전히 충족한다는 것을 뜻한다.

또한 원격 DAS 노드의 PA의 전반적인 전력 소모를 낮추도록 돕는다. ADRV9029의 피드백 패스는 DPD 액추에이터와 계수 연산 엔진에 연결해 이 시스템의 PA가 높은 효율로 실행되도록 한다.

ADRV9029의 DPD 알고리즘은 최대 200MHz의 캐리어 대역폭을 지원한다. ADRV9029에 DPD 기능을 통합함으로써 RF 트랜시버에 FPGA 기반의 DPD 솔루션을 사용하는 디스크리트 구현 방식에 비해 시스템 차원에서 비용, 공간, 전력을 크게 줄일 수 있다. 애플리케이션의 필요에 따라 GPIO 제어를 통해 ADRV9029의 DPD 엔진을 바이패스할 수도 있다.

ACLR은 할당된 채널로 전송된 전력에 대해서 인접한 무선 채널로 누설되는 전력의 비율로서 <그림 5>는 20MHz LTE 신호 베이스밴드 데이터에 DPD를 적용함으로써 이 성능이 향상되는 것을 보여준다. 전력 스펙트럼 밀도를 보면 DPD를 적용한 이후 20MHz LTE 신호의 혼변조 성분으로 인해 생긴 대역외 비선형성이 15~20dB 줄어든 것을 알 수 있다.

파고율 저감(CFR) 블록
무선 시스템에 사용되는 현행 기술들에 내재한 근본적인 특성 때문에 특히 직교 주파수 분할 다중화(OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexing)와 같은 멀티캐리어 파형 같은 경우 신호가 피크-대-평균 전력비(PAPR : Pick-to-Average Power Ratio)가 높고 이 때문에 PA 효율에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.

주된 원인은 신호의 피크가 PA의 선형 동작 범위를 넘어가기 때문이다. 파고율 저감(CFR) 기법은 신호에 요구되는 범위를 PA 선형 범위 안에 있게 함으로써 시스템에서 PAPR의 영향을 완화하거나 아예 없앨 수 있도록 한다.

ADRV9029는 PAPR을 낮추는 데 도움이 되는 CFR 엔진을 탑재하고 있다. PAPR이 낮으면 RAU의 PA가 더 높은 출력 전력으로 동작할 수 있고 그럼으로써 송신 라인업에서 PA 효율을 높인다. 이 디바이스는 3단 CFR 엔진을 제공한다.

간단히 말해 이 잘 제어된 모놀리식 플랫폼은 3단 CFR과 이후 DPD 엔진까지 결합돼 있다. PA의 선형성을 유지하는 작업을 수 행하는 데 있어서 ADRV9029가 경쟁 제품과 차별화되는 것이 바로 칩 상에서 이뤄지는 신호에 대한 이러한 작업들의 조합이다.

다만 ADRV9029는 펄스 상쇄 기법의 변형 방식을 사용해서 CFR을 구현한다. 즉 검출된 피크로부터 사전에 계산된 펄스를 차감해 신호가 PA의 선형적 범위 이내에 있게 한다. 그러므로 각 캐리어 조합마다 펄스를 생성하고 로드해야 한다. 이로인해 CFR블록이 지연시간을 갖게 된다. 대부분의 경우 DAS시스템은 엄격한 지연시간 요건을 갖고 있으며 이번과 같은 경우에는 CFR 기능을 바이패스할 수 있다. ADRV9026은 DPD와 CFR 기능이 없는 제품이다.

전원 공급
가능한 최대의 오류 벡터 크기(EVM : Error Vector Magnitude) 및 인접 채널 누설비(ACLR) 규격을 달성하도록 모든 작업을 제대로 수행했을 지라도 RAU의 시스템 전원장치 설계를 간과하면 지금까지 잘한 모든 RF 설계와 시뮬레이션 작업이 수포로 돌아갈 수 있다.

작동 시에 ADRV9029로 공급되는 전원 전류가 크게 변할 수 있는데 TDD 모드로 동작할 때 특히 그렇다. 전원으로부터의 잡음이 제어되지 않으면 JESD204B/JESD204C 링크 성능에 영향을 미칠 수도 있기 때문이다.

ADI는 ADRV9029와 같은 RF 트랜시버와 그 밖에 다른 5G RF SoC 제품을 지원하기 위해 혁신적인 스위치 모드 전원장치 및 패키징 기술을 개발했다. 사일런트 스위처 3(Silent Switcher 3) 제품군은 극히 낮은 주파수 출력 잡음, 빠른 과도 응답, 낮은 EMI 방사, 높은 효율을 특징으로 한다. <그림 3>의 블록 다이어그램에서 제안한 것과 같이 RAU에는 LT8642S, LT8625S, LT8627SP가 사용하기에 적합하다.

대부분의 경우 ADI의 3세대 사일런트 스위처 디바이스는 LDO의 사용 필요성을 없애 준다. 심지어 PLL과 LNA 설계처럼 전원 잡음에 극히 민감한 애플리케이션에서도 그렇다. LDO가 필요한 경우에는 ADM7172와 LT1761을 사용할 수 있다. ADRV9029는 또한 원치 않는 파워업 전류를 피하기 위해 특정한 파워업 시퀀스를 필요로 하는데 이를 위해서는 ADM1166을 사용할 수 있다.

맺음말
DAS는 RF 커버리지와 용량을 효과적으로 확장함으로써 오늘날 신뢰할 수 있는 음성 및 데이터에 대한 높은 수요를 충족하고 매끄러운 연결성을 제공할 수 있다. 이 글에서는 BDA(패시브 DAS라고도 함) 또는 완전한 액티브 DAS 솔루션이 어떻게 빌딩 구조물 내에서 셀룰러 신호를 향상하고 빌딩 전체에 대해 건물 이용자들에게 견고한 무선 접속을 제공하는 것에 대해 알아봤다.

RAU가 전체 액티브 DAS 통신 솔루션의 핵심 역할을 하는 것과 마찬가지로 ADRV9029는 DAS 노드에 대해 필수적인 역할을 한다. ADI는 엔지니어들의 설계 작업을 돕기 위해 레퍼런스 디자인, 사용자 가이드, 펌웨어 라이브러리, 그 밖에 다른 설계 자료들을 제공한다.