셀룰러 통신이 시작된 이후로 테스트 엔지니어들은 RF 반도체에서 기지국 및 모바일 핸드셋에 이르기까지 무선통신 기술을 대량으로 테스트하는 데 필요한 일련의 측정 및 기술을 반복해왔다. 그러나 5G를 사용하면 이러한 무선 장치 내부의 기술이 더욱 복잡해지므로, 이전 세대를 테스트하는 데 사용됐던 고도로 최적화된 기술은 재고돼야 한다.
5G 기술의 성능을 검증하려면 현재 사용 중인 케이블 방식 대신 OTA(Over-The-Air) 방식으로 5G 구성 요소 및 장치를 테스트해야 한다. 이는 반도체 회사뿐만 아니라 5G 모듈 및 디바이스 레벨 테스트에도 영향을 미친다. 우리는 많은 산업 및 애플리케이션 영역에서 5G 제품 및 솔루션의 실용적인 상용화를 보장하기 위한 새로운 테스트 방법이 필요하다.
대역폭 증대
5G 표준의 핵심 목표 중 하나는 사용자의 데이터 요구가 계속 증가함에 따라 데이터 용량을 크게 늘리는 것이다. 이에 사용자당 10Gbps의 목표 최대 대역폭을 달성하고자 새로운 기술을 계속 도입하고 있다.
5G 사양에는 사용자별로 고유한 집중 무선 연결을 생성하는 빔 형성 기술을 통해 사용자가 동일한 주파수 대역을 동시에 공유할 수 있는 MU-MIMO(Multiuser MIMO) 기술이 포함돼 있다. 특히, 5G 표준은 더 많은 무선 스펙트럼을 추가해 센티미터 및 밀리미터파(mmWave) 주파수로 확장된다.
MU-MIMO 및 mmWave 두 기술의 물리적 구현은 이전 세대의 셀룰러 표준보다 훨씬 더 많은 안테나를 사용한다. 물리학 법칙에 따르면, mmWave 주파수의 신호는 현재 셀룰러 주파수의 신호보다 자유 공간을 통과할 때 훨씬 더 빨리 감쇠된다. 따라서 비슷한 전송 전력 수준의 경우 mmWave 셀룰러 주파수는 현재의 셀룰러 대역보다 훨씬 작은 범위를 갖게 된다.
이러한 경로 손실을 극복하기 위해 5G 송신기 및 수신기는 동시에 작동하는 안테나 어레이를 활용하고, 빔 형성 기술을 사용해 현재 디바이스의 대역당 단일 안테나 대신 신호 전력을 높이게 된다. 이러한 동일한 안테나 어레이 및 빔 형성 기술은 신호 전력을 높이는 데 중요하더라도 MU-MIMO 기술 구현에 결정적인 역할을 한다.
이러한 모든 안테나를 미래의 휴대전화에 어떻게 넣을 수 있을까? 다행히 mmWave 주파수의 안테나는 현재 표준에 사용되는 셀룰러 안테나보다 훨씬 작다. AiP(Antenna-in-Package)와 같은 새로운 패키징 기술은 이러한 안테나를 최신 스마트폰의 좁은 공간 제약에 원활하게 통합되게 하지만, 이러한 안테나 어레이는 테스트를 위한 컨택 패드를 제공하지 못할 수도 있다.
OTA 사용해 새로운 과제 해결
테스트 엔지니어의 경우 주파수와 새로운 패키지 기술이 증가하고, 안테나 수가 더 많아짐에 따라 품질을 높게 유지하면서 자본비용(테스트 장비 비용)과 운영비용(각 장치를 테스트하는 시간) 모두의 증가를 제한하는 것이 어려워진다. 새로운 OTA 기술은 이러한 문제를 해결할 수 있지만, 또 다른 과제를 제시한다.
우선, 측정 정확도가 까다롭게 될 것이다. 케이블 테스트와 달리 테스트 엔지니어는 OTA 측정을 수행할 때 안테나 보정과 정확도, 고정 공차(fixturing tolerance) 및 신호 반사와 함께 추가 측정 불확실성까지도 추가로 다룬다.
또한, 새로운 측정값을 무향실(anechoic chamber) 통합, 빔 특성화, 최적의 코드북 계산 및 안테나 매개 변수 특성화를 위한 장치 테스트 계획에 통합해야 한다.
그뿐만 아니라 RF 대역폭이 지속적으로 증가함에 따라 보정에 대한 처리가 필요하며, 이러한 넓은 대역폭에 대한 측정도 증가하므로 테스트 시간에 대한 우려가 높아진다.
마지막으로, 테스트 관리자는 시장 출시, 자본비용, 운영비용 및 테스트 공간(OTA 챔버를 수용하기 위함)에 미치는 영향을 최소화하면서 제품 품질을 보장하기 위해 추가 비즈니스 사항들을 고려해야 한다.
앞으로 몇 년에 걸쳐 테스트 및 측정 산업은 많은 새로운 혁신으로 이러한 문제에 신속하게 대응하게 될 것이다. 테스트 그룹은 오늘날의 자본비용이 혁신의 빠른 주기를 따라갈 수 있도록 하기 위해 매우 유연하고 소프트웨어 정의된 테스트 전략 및 플랫폼을 고려해야한다.
AiP 기술 위한 유일한 방안
OTA는 풀어야 할 과제를 제시하지만 이점을 제공하기도 한다. OTA는 안테나 어레이가 패키지에 통합돼 어레이 요소에 직접 케이블을 연결할 수 없기 때문에, AiP 기술의 유일한 선택지라 할 수 있다.
테스트 엔지니어가 시행된 테스트 방법을 사용해 개별 안테나 요소에 연결할 수 있는 경우에도 병렬 테스트(많은 장비가 필요하다는 차원에서 자본비용 소요)를 선택할지, 연속 테스트(테스트 시간과 처리량 차원에서 운영비용 소요)를 선택할지의 어려운 기로에 놓여 있다. 많은 기술적인 문제는 여전히 해결돼야 하지만, OTA 테스트는 개별 요소 집합 대신 시스템으로서 어레이를 테스트 할 수 있는 가능성을 제공하므로 시스템 수준 테스트의 효율성 이점이 크게 높아질 수 있다.
과거에는 테스트 장비 공급업체와 테스트 엔지니어가 시장 출시 및 테스트 비용을 최소화하고, 성능과 복잡성 증대에 따른 테스트에 어려움을 겪었다. 5G의 경우 이 부분을 다시 시도할 것이다.
오늘날 5G 테스트에 따른 과제는 복잡해 보이지만 전 세계 엔지니어들은 5G를 상업적으로 성공시키는 데 필요한 OTA와 같은 새로운 테스트 계측기 및 방법을 이미 개발하고 있다.
