5G NR 적합성 테스트를 위한 4가지 Tip
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5G NR 적합성 테스트를 위한 4가지 Tip
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  • 승인 2020.07.27 08:35
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[테크월드=선연수 기자] 5G 상용화가 가속화됨에 따라, 5G 디바이스와 기지국 업체들은 특정 단계에 따라서 5G 제품을 시장에 출시해야 한다. 4G LTE가 도입된 지는 거의 10년이란 시간이 흘렀다. 4G는 3G에 비해 상당히 개선됐으나, 5G NR(New Radio)로 인한 변화는 더욱 강력하다. 이에 시장 진출을 승인 받는 것도 상당한 과제다.

 

칩셋과 디바이스는 더 넓은 전송 대역에서 더 높은 주파수로 작동하게 된다. 디바이스와 기지국은 새로운 접근 기술을 사용해 연결되고, 더 많은 데이터, 사용자, 다양한 서비스들을 관리하기 위해 네트워크는 계속 발전해나갈 것이다. 이를 위해 4G와 5G NR 네트워크는 사용자에게 끊김없는 서비스를 제공하기 위해 조화롭게 작동해야 한다.

적합성과 디바이스 승인 테스트를 통과하는 것은 디바이스·기지국 업체들이 극복해야 할 가장 큰 과제다. 5G NR 적합성 테스트를 준비할 때 다음의 정보를 명심해야 한다.

- 적합성 테스트 요구사항과 테스트 방법은 50% 미만이 완료(2019년 3월 기준)

- 주파수 범위 2(FR2: 24.25~52.6GHz)는 테스트 복잡성을 상당히 높임

- 테스트 사례가 급격히 늘 것으로 예상

- 높은 주파수 범위, 넓은 채널 대역폭, 늘어나는 공존 시나리오를 포함할 수 있도록 표준이 발전 중

아래는 5G NR 적합성과 디바이스 승인 테스트 준비를 위한 4가지 팁으로, 이 글을 통해 각 팁에 대해 알아보자.

<5G NR 적합성과 디바이스 승인 테스트 준비 팁 4가지>

① 적합성에 대한 가이드로 최소 요구사항을 사용하라

② 유연한 고성능 장비로 테스트 시스템의 복잡성을 다뤄라

③ 표준 플랫폼으로 테스트 사례의 범위를 보장하라

④ 최신 5G NR 표준을 준수하라

 

최소 요구사항을 준수 지침으로 쓰기

디바이스와 기지국은 시장에 출시되기 전 적합성 테스트를 받아야 한다. 3GPP(3rd Generation Partnership Project) 무선 접속 네트워크(RAN, Radio Access Network) 실무위원회는 적합성 목표를 정의하고 있다. 사양을 이해하기 위해서는 이를 만들어내는 프로세스를 되돌아 보는 것이 중요하다.

5G NR은 높은 안정성을 갖춘 네트워크 속에서 광범위한 연결, 극한의 통신 속도, 저지연을 목표로 탄생했다. ITU(International Telecommunications Union)는 IMT(International Mobile Telecommunications)와 함께 IMT-2020 비전을 만들었고, 이는 다음의 3가지 주요 사용 사례를 포함하고 있다.

- 초고속 광대역 통신(eMBB, Enhanced Mobile Broadband)

- 초고신뢰·저지연 통신(URLLC, Ultra-reliable low latency communications)

- 대규모 사물 통신(mMTC, Massive machine-type communications)

3GPP 연구 항목 기술 보고서(TR) 38.913은 차량 사물 통신(V2X, Vehicle-to-everything) 요구사항과 같은 다양한 배치 시나리오에 대한 핵심성과지표(KPI, key performance indicator)를 설명하고 있다. KPI는 최고 데이터 속도, 스펙트럼 효율성, 지연 시간, 안정성, 사용자 단말기(UE, User Equipment)의 배터리 수명에 대한 목표를 포괄하고 있다.

RAN 실무그룹은 IMT-2020을 목표로 5G NR 사양을 개발한다. 5G NR 문서는 3GPP 웹사이트의 38.xxx 시리즈 문서에서 확인할 수 있다.

 

[표 1] 3GPP RAN 실무그룹이 공개한 관련 연구 목록

적합성 테스트는 송·수신기의 특성과 성능을 검증하며, 이는 UE와 기지국에 대해 최소 수준의 성능을 보장한다. [표 2]는 3GPP의 요구사항 문서로 나열한 것이다.

디바이스에 대한 추가적인 테스트는 무선 자원 관리(RMM, Radio resource Management)와 프로토콜 테스트를 포함한다. 기지국 테스트는 무선 주파수(RF, Radio Frequency) 매개 변수 위주로 구성된다.

UE는 무선접속, 신호·복조 테스트가 추가된 훨씬 더 많은 적합성 요구사항들을 요구한다. 5G 상용 디바이스는 3GPP 최신 사양을 준수하기 위해, UE는 GCF(Global Certification Forum)와 PTCRB(PCS Type Certification Review Board)와 같은 인증 기관의 검증을 받아야 한다. 또한, UE 디바이스가 특정 네트워크 상에서 예상대로 작동하도록 하려면, 모바일 네트워크 운영자의 승인 테스트를 거쳐야 한다.

 

[표 2] 기지국과 디바이스를 위한 3GPP 적합성 테스트

적합성 테스트 사양은 3GPP의 RAN2, RAN4 문서에 지정된 최소 요구사항을 바탕으로 제작됐다. 적합성 사양은 시험 측정 불확실성(MU, Measurement Uncertainty)과 테스트 내성(TT, Test Tolerance)을 고려한다.

운영자, 디바이스, 기지국 OEM들은 각 테스트별 요구사항을 지정하고 있다. 최소 요구사항은 적합성 사양보다 더 엄격하다. 디자이너(설계자)는 5G NR 적합성 테스트 요구사항이 완료될 때까지, 최소한의 요구사항을 가이드로 삼아 5G NR 제품을 테스트한다. 최소한의 테스트 요구사항은 5G 제품이 최종 적합성 테스트 사례를 통과할 수 있도록 보장한다.

 

고성능 계측기로 복잡성 다루기

5G NR은 주파수 범위1(FR1: 410MHz~7.125GHz)과 주파수 범위2(FR2: 24.25~52.6GHz)에서 작동 할 수 있다. FR1의 저주파 테스트는 4G LTE 테스트와 유사하다. 반면, FR2 테스트는 여러 가지 새로운 방법으로 테스트 솔루션에 스트레스를 주고 있다. FR2 범위 테스트에 필요한 테스트 장비는 더 넓은 주파수와 대역폭을 커버해야 한다. 스퓨리어스(Spurious) 방출을 측정하기 위해서는 최대 60GHz, 인터밴드(Inter-band) 캐리어 결합(CA, Carrier Aggregation)을 지원하기 위해서는 최대 1.6GHz의 대역폭이 요구된다.

적합성 요구 사항에 따르면, 일부 FR1 기지국 테스트와 모든 FR2 디바이스와 기지국 테스트들은 방사 테스트다. 이로 인해 OTA(Over-the-air) 테스트가 수행되며 추가적인 테스트 과제가 생겨난다. 주요 과제는 경로 손실이 더 크고 특정 불확실성이 높아 측정 정확도를 달성하는 것이 어렵다.

사전 적합성·적합성 테스트는 [표 2]에 나열된 3GPP의 적합성 문서의 모든 요구사항을 다루는 보정된(Calibrated) OTA 테스트 솔루션을 요구한다. 테스트 예제는 송신된 전력, 신호 품질, 상호 변조(Intermodulation), 스퓨리어스 방출, 차단 테스트를 포함하고 있다.

밀리미터 파(mmWave) 설계를 위한 테스트 솔루션은 더 넓은 채널 대역폭으로 더 높은 주파수를 수용해야 한다. 또한, 5G 신호를 더 정확하게 감지·복조(Demodulate)하기 위해 충분한 신호 대 잡음비(SNR, Signal-to-noise Ratio)를 가져야만 한다. 예로, 송신기를 테스트할 때 신호 분석기의 SNR은 정확한 에러 벡터 크기(EVM, Error Vector Magnitude)와 인접 채널 누설률(ACLR, Adjacent Channel Leakage Ratio) 측정을 보장하는 중요한 요소다.

경로 손실이 문제되는 OTA 테스트 설정에서, 높은 출력 전력과 낮은 EVM을 갖는 벡터 신호 발생기(VSG, Vector Signal Generator)는 5G 수신기 테스트에 적합한 SNR을 보장할 것이다. [그림 1]에서 볼 수 있듯 선택성·블록 테스트 설정은 고정 참조 채널, 변조된 간섭 신호, 연속파(CW, Continuous Wave) 신호를 제공하기 위해 다중 mmWave 신호 발생기를 필요로 한다.

 

[그림 1] 포트1에 대한 테스트가 이뤄지고 있다

5G 테스트 솔루션을 결정할 때는 sub-6 GHz부터 다른 mmWave 작동 대역까지의 요구사항을 충족할 수 있는 적절한 범위를 가진 테스트 장비를 선택하는 것이 중요하다. 많은 테스트에서 수신기 테스트의 다중 소스(Source), 송신기 테스트를 위한 다중 분석기를 요구하고 있다. 이때 모듈식(Modular) 플랫폼은 테스트 풋프린트를 절감하고 테스트 설정을 단순하게 만들어 준다.

 

표준 플랫폼으로 테스트 범위 보장하기

5G NR의 목표는 FR1, FR2 작동 대역폭에 대해 다양한 사용 사례와 배치 시나리오를 지원하는 것이다. 이 테스트 조합들로 테스트 사례에 대한 방대한 매트릭스를 만들 수 있다. 예를 들어, [그림 2]에서 보듯이 5G NR은 단독(SA, Standalone)이나 비단독(NSA, Nonstandalone) 모드로 동작할 수 있다. 단독 모드에서, 5G NR은 5G 차세대 코어(NGC, Next Generation Core) 네트워크와 직접적으로 연결되며, 4G와는 독립적으로 작동한다. 그러나 5G 네트워크가 출시되고 완전히 정착되기까지는 시간이 걸린다. 5G NR은 5G 디바이스가 네트워크를 통과할 때 연결성을 유지하기 위해 기존의 4G 인프라에 크게 의존할 것이다.

디바이스에는 한 가지 이상의 다중 배치 옵션을 위한 검증(Validation)이 필요하다. E-UTRA(Evolved Universal Terrestrial Radio Access)와 5G NR 이중 연결(EN-DC)에 대한 테스트도 요구된다. 다양한 작동 대역에 대해 MIMO를 추가하거나 다중 캐리어 결합(CA)이 더해질 경우, 이는 1000개 이상의 UE 테스트 사례에 해당한다.

 

[그림 2] 5G 배치 옵션

주파수 범위와 UE 적합성 테스트로 인해 확장되는 일반적인 하드웨어 플랫폼은 RF, RMM, 프로토콜을 포함해 5G 테스트 사례 검증(Validation) 범위를 최대로 넓히기 위한 확장성을 제공한다. 예로, 키사이트 UXM 5G 무선 테스트 플랫폼은 동일한 기본 하드웨어와 다양한 소프트웨어 툴셋을 사용한 프로토콜, RF/RMM 적합성 테스트를 수행한다. 또한, 추가적인 하드웨어를 사용해 테스트 플랫폼을 더 넓은 대역폭, 더 높은 주파수로 확장할 수 있다.

공통 플랫폼에서의 표준화는 추가적인 장점을 가진다. 테스트 플랫폼을 워크플로우에 활용하는 것은, 5G 설계자가 설계 초기에 문제를 해결하고 검증(Validation)할 수 있도록 돕는다. 사전 적합성·적합성 테스트에 같은 테스트 플랫폼을 사용하면 테스트 시간과 문제 발생을 줄일 수 있다. [그림 3]은 일반적인 디바이스 워크플로우를 나타내며, 똑같은 테스트 플랫폼이 R&D부터 설계 검증, 적합성·디바이스 승인 테스트, 제조에까지 어떻게 사용되는지 보여준다.

 

[그림 3] 디바이스 워크플로우에 같은 테스트 플랫폼을 활용하는 경우

 

최신 5G NR 표준 유지하기

이제는 5G NR의 다음 단계를 준비하는 것이 중요하다. 2018년 6월 승인된 릴리즈 15(Release-15)도 다양한 사용 사례와 네트워크 배치 옵션의 적합성 테스트에 대해 오랜 작업 과정을 거쳤다. CA, FR2, RMM 테스트 사례들 또한 완성되지 않았다. 2019년 후반 확정이 예상됐으나 현재 코로나19로 올해 6월로 확정이 연기된 릴리즈 16은 5G NR 표준화, 새로운 사용 사례와 함께 새로운 유형의 서비스, 디바이스 배치 모델, 스펙트럼 대역을 식별한다. 산업용 IoT, 비면허 대역의 활용, 셀룰러 V2X, UE 포지셔닝, 전력 효율을 위해 URLLC 향상에 중점을 두고 있다. 테스트 솔루션은 표준의 발전에 따라 더 높은 주파수와 더 넓은 대역폭, 새로운 물리 계층 기능을 지원해야 한다.

테스트 공급 업체는 최신 테스트 사례를 위해 소프트웨어 출시와 동시에 업데이트를 얼마나 빠르게 제공할 수 있는지 고려해야 한다. 키사이트는 업계 리더들과 함께 3GPP 사양과 테스트 사례에 대해 정의하고 있다. 키사이트는 디바이스, 기지국 OEM들과 긴밀히 협업해 표준이 완성되기 전에, 시장에 업계 최초 설계를 지원했다. 이와 함께 테스트 툴 업데이트는 규칙적으로(정기적으로) 이뤄지고 있으며, 인증 기관들은 특정 간격으로 검증(validation)을 위해 이를 제출하고 있다.

더 높은 주파수와 더 넓은 대역폭을지원하기 위해 표준이 발전하는 것을, 테스트 하드웨어 확장이 따라잡기에는 물리적인 한계가 있다. 이를 위한 한가지 전략은 처음부터 더 넓은 범위의 테스트 장비를 구매·임대하는 것이다. 또 다른 방법은 요구사항이 변경될 때 쉽게 확장할 수 있는 테스트 장비를 사용하는 것이다.

 

결론

가속화되는 5G 상용화에 맞춰, 사전 적합성·적합성 테스트를 준비하는 것은 중요한 일이다. 5G NR은 불완전한 테스트 요구사항, 새로운 mmWave 작동 대역, 더 복합해진 테스트, 계속 진화하는 표준으로 인해 계속 새로운 테스트 과제를 소개하고 있다.

 

[그림 4] 2020년 5월 29일 기준 GCF RF/RRM와 프로토콜 검증 상황 (출처: 키사이트)

 

[그림 5] 2020년 5월 29일 기준 PTCRB RF/RRM과 프로토콜 검증 상황 (출처: 키사이트)

또한, 디바이스와 기지국 제공자는 5G 적합성 테스트를 위해 테스트 장비를 신중하게 골라야 한다. 최소 요구사항으로 테스트를 진행한다면, 5G NR 제품은 표준화가 완료된 5G NR 적합성 테스트를 통과할 수 있을 것이다. 충분한 성능과 기능으로 5G의 가장 어려운 테스트 시나리오를 해결해주는 유연하고 공통적인 테스트 플랫폼은 성공적인 5G 디바이스와 기지국의 배치를 보장해주며, 이 또한 표준의 변화에 따라 발전해야 한다.

 

자료제공: 키사이트테크놀로지스

- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 <EPNC 電子部品> 2020년 7월 호에 게재된 기사입니다.

 


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