5G 제조 마스터링

[테크월드=선연수 기자] 

5G가 빠르게 움직이고 있다. 모바일 산업에 뛰어든 기업들은 5G 비즈니스 모델에서 새로운 수익원을 찾고 있다. 장치 제조업체와 네트워크 장비 제조업체(NEM, Network Equipment Manufacturer)는 질 높은 상용화를 향해 최고속도를 내고 있다.

이 과정에서는 테스트 적용 범위를 우선으로하는 적합성 테스트에서, 테스트 비용과 시간이 수익성과 최초의 시장 상태를 결정하는 제조 테스트로의 패러다임 전환과 과제를 얻게 된다. 업계에서는 신제품 소개(NPI, New Product Introduction)부터 대규모 제조(HVM, High-volume Manufacturing)에 이르기까지 제조 워크 플로우를 통해 5G를 최대한 빨리 수행해야 한다. 장치 제조업체와 NEM은 더 많은 주파수 대역, 밀리미터파(mmWave) 주파수, 더 넓은 대역폭 등의 4G와 다른 새로운 제조 테스트 문제를 해결해야 한다.

5G NR은 대용량 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 무선 기술과 mmWave 주파수를 통합한다. 이런 기술에 대한 테스트 워크 플로우를 통해 5G 장치와 기지국(gNBs)을 얻는 것은 쉽지 않다. 장치, gNB 제조업체는 시장 출시 시기와 테스트 비용에 대한 엄청난 압박감을 이겨내면서 중대한 과제를 극복해야 한다. Sub-6GHz부터 mmWave까지 더 많은 주파수 대역을 지원하게 되면서, 더 넓은 채널 대역폭과 OTA(Over-the-Air) 테스트 방법에 대한 과제를 수행하게 됐다.

장치, 네트워크 인프라 제조업체는 5G의 복잡성을 마스터함으로써 5G에서 빠른 혁신과 변환을 이뤄내야 한다. 시장을 선점하기 위해서는 안전성, 신뢰성, 비용 효율성을 모두 갖춘 5G 솔루션을 제공할 필요가 있다.

적합성을 넘어서는 5G

핸드셋 제조업체와 모바일 네트워크 업체는 5G의 경제적 이점을 얻기 위해 고군분투하고 있다. 5G 네트워크 배포는 향후 몇 년간 기하 급수적으로 증가할 것이다. 장치 제조업체와 NEM에게는 빠르고 안정적인 5G 계측 요구된다. 이는 5G에 대한 최신 표준·테스트 방법론을 적용·변경할 수있는 표준화된 플랫폼에서 수행하는 것이 유리하다.

셀룰러 표준의 발전

시장 출시 기간과 테스트 비용을 최적화하려면, 제조 엔지니어는 3GPP(3rd Generation Partnership Project) 사양에 명시된 적합성 테스트 중 일부를 수행해야 한다. 특히 mmWave 주파수에 대한 테스트 요구 사항은 여전히 많이 존재한다. 이 시나리오에서 장치, gNB 제조업체는 유연성, 확장성을 가지는 테스트 시스템을 배포해야 변화하는 테스트 사양에 적응할 수 있다.

5G 표준은 계속 발전하고 있다[그림 1]. 2017년 12월에 승인된 Release-15(Rel-15)는 4G LTE(Long Term Evolution) 네트워크 인프라를 활용하는 비독립형(NSA, Non-standalone) 배포를 해결한다. LTE 네트워크의 앵커에 의존하지 않는 독립형(SA, Standalone)은 2018년 6월에 승인됐다. 5G를 위해 많은 개발이 필요한 상황이며, 장치와 gNB 제조업체는 향후 5~10년 동안 관련성이 유지될 미래 보장 테스트 플랫폼을 필요로 한다.

워크플로우 선순환

5G 제조 테스트 전략에서 장치 제조업체와 NEM에게 중요한 요소는 설계-제조 워크 플로우의 각 단계에서 수행된 작업과 데이터를 활용하는 것이다[그림 2]. 제조 단계에는 NPI, 제조, HVM으로의 전환이 포함되며, 적합성에서 제조로의 전환을 최적화하는 작업은 수익성, 생산 규모, 출시 기간에 있어 매우 중요하다.

프로토콜 테스트는 제조 환경에서 과거의 과제다. 비시그널링 테스트는 고가의 시그널링 오버 헤드를 제거하고 테스트 무결성을 유지하면서 처리량을 증가시킨다. 워크 플로우를 통해 장치와 네트워크 장비를 빠르게 이동하기 위헤서는 공통 테스트 플랫폼 요소를 채택해야만 한다. 또한 글로벌 운영을 위한 테스트 비용 제어를 함께 지원한다.

테스트 시간, 복잡성, 비용 절감 기술

과제: 더 많은 주파수 대역과 더 넓은 대역폭 = 더 많은 시간과 비용

장치와 gNB는 레거시 대역과 새로운 주파수 대역을 모두 지원해야 하며, 이로 인해 설계가 더 복잡해지고 테스트 시간은 늘어나게 된다.

5G NR은 410MHz~7.125GHz(FR1), 24.25~52.6GHz(FR2)로 분류된 넓은 주파수 범위를 지원한다. 장치는 판매 지역에 따라 여러 대역에서 작동할 수 있으며, FR1 대역의 범위는 1~255이고 FR2 대역의 범위는 257~511이다.

4G LTE 사양에 포함되지 않는 sub-6GHz의 주파수에 대해 9개의 새로운 대역을 사용할 수 있다. 이는 커버리지와 용량을 늘리고, 5G 서비스를 위해 저주파에서 사용할 수있는 스펙트럼 부족의 해결을 목표로 한다. 새로운 mmWave 대역은 mmWave 스펙트럼에서 더 넓은 대역폭을 활용할 수 있어, 처리량이 많은 애플리케이션에 적합하다.

sub-6GHz 주파수의 경우 최대 채널 대역폭이 100MHz로 증가하고 mmWave 대역의 경우 400MHz로 증가하며, 이는 반송파 집계를 통해 더 높은 대역폭이을 지원한다. 그러나 더 큰 대역폭과 더 많은 주파수 대역은 더 높은 비용을 요구한다. 게다가 오류 벡터 크기(EVM, Error Vector Magnitude), 평탄도, 동적 범위에 대한 요구 사항을 달성하는 것은 훨씬 어려운 과제다. 기존 테스트 하드웨어는 이런 대역폭을 처리할 수 없으며, 테스트 포인트 수의 증가로 테스트 장비와 챔버가 더 비싸지고, 결국 테스트 비용이 높아지게 된다.

해결책: FPGA 처리, 다중 장치 테스트, 클라우드 처리, 향상된 측정 일관성을 포함하는 신기술

mmWave 테스트를위한 재설계

5G 이전의 상용 통신은 주로 저주파에 위치했으나, mmWave 주파수 대역의 스펙트럼 가용성으로 인해 통신 업계는 더 높은 주파수로 옮겨가고 있다. mmWave 주파수로 가기 위해서는 UE와 기지국 설계자가 위상 배열 안테나와 같은 다른 아키텍처를 사용해야 한다. 이 아키텍처는 전도성 연결을 지원할 수 없어, 무선으로 테스트를 확인해야 한다. OTA 테스트와 결합 된 더 높은 주파수는 이전 테스트 방법보다 훨씬 더 많은 경로 손실을 초래한다.

손실 증가와 신호 품질의 관계

mmWave 방사선 테스트는 셀룰러 제조에 있어 완전히 새로운 것은 아니며, 이는 장치 제조업체와 NEM에게 중대한 과제를 내린게 된다. 스위치 매트릭스와 긴 케이블은 높은 손실을 일으키며, 공기 흡수, 높은 삽입 손실, 깨지기 쉬운 고가의 커넥터 등이 동적 범위를 좁히고, 측정 품질에 영향을 미친다.

DUT와 OTA 챔버 사이의 거리를 줄이고 시스템을 교정함으로써, 경로 손실에 대한 정확한 해결책이 요구된다. 원격 헤드를 사용하면 저주파와 전원으로 긴 케이블을 통해 삽입 손실을 크게 줄이고, 위상 선형성과 커넥터 견고성을 향상시킬 수 있다[그림 3]. 원격 헤드에 추가된 게인(Gain)은 동적 범위를 넓힌다.

테스트 비용 절감을 위한 바닥 공간 제약

다중 포트 테스트와 고밀도 테스트 시스템이 없는 경우, 5G에서의 테스트 장비 풋프린트(Footprint)가 크게 증가한다. 더 높은 성능 요구 사항, 더 많은 테스트 장비, OTA 챔버의 필요성은 생산 현장에 새로운 요구를 발생시킨다. 계약 제조업체는 일반적으로 평방 피트 단위로 요금을 부과하기 때문에 이는 테스트 비용에 영향을 미치게 된다. 테스트 장비 풋프린트가 클수록 부동산 비용이 증가하거나 생산 능력이 감소하기 때문이다.

확장성을 가진 테스트 장비는 장치 제조를 위해 속도를 높이고 공간을 크게 절감할 수 있다. 동시에 여러 장치를 테스트할 경우 늘어난 테스트 장비 풋프린트를 상쇄시킴으로써 출시 시간을 단축시킬 수 있다. 클라우드 프로세싱은 프로세스 속도를 높임으로써, HVM을 위한 대용량, 고밀도 장치 테스트 시스템을 제작할 수 있다.

다중 장치 테스트 외에도 5G는 UE와 기지국 설치 과정에서 다중 포트 설계와 다중 요소 MIMO 어레이를 더욱 많이 사용하게 된다. 다중 채널 확장 가능 테스트 장비는 기지국 테스트에 있어 중요하며, NEM은 테스트 장비 풋프린트와 테스트 비용을 포함한다. 4포트에서 8포트 4G 장치 테스트에서 16, 32, 64, 128 채널 5G로 전환하려면 장비 확장성이 필수적이다.

제조 전환의 효율적인 적합성

5G에서 성공하기 위해서 장치 제조업체와 NEM들은 5G NR, MIMO, mmWave 주파수에서 발생하는 문제를 극복해야만 한다. 5G 네트워크에 대한 공격적인 배포 타깃은 모바일 생태계 전체에 영향을 끼치며, 전 세계적인 파급 효과를 가진다. 장치, 기지국 제조업체는 테스트 비용 최소화와 출시 시간 단축을 달성하기 위해서는, 테스트 케이스 적용 범위를 최대화하는 과정에서 급격한 초점 이동을 효과적으로 관리해야만 한다.

지속적인 표준의 발전으로, 제조 테스트 운영의 유연성이 중요해지고 있으며, 측정 일관성은 테스트 개발 노력을 줄이고 워크플로우 전반에서 팀 간의 협업을 지원하게 된다.

더 많은 RF 대역과 대역 조합들, 더 넓은 채널 대역폭은 더 많은 테스트 포인트들로 인해, 테스트 시간이 길어지고 비용이 높아지는 것을 의미한다. 장치와 기지국 제조업체의 생산 현장에 있는 최신 계측기는 이런 주파수나 대역폭을 처리할 수 ​​없다. 모든 대역, 대역폭, 테스트 포인트들에 서비스하기 위해서 필요한 테스트 자산 수를 최소화하기 위해 확장할 수 있는 솔루션을 배포해야만 한다.

mmWave 스펙트럼에서 주파수를 사용하는 것은 또한, 장치 제조업체와 NEM의 제조 테스트 운영에 큰 지장을 준다. 이미 수행된 테스트를 OTA 테스트 방법으로 전환하는 작업을 성공적으로 관리하고 경로 손실을 극복해내야 한다. 바닥 공간도 중요한 관심사로, 테스트 장비 풋프린트를 포함하며, 테스트 비용을 낮추기 위한 혁신적인 솔루션이 필요하다.

자료제공: 키사이트테크놀지스