개요: 이 애플리케이션 노트에서는 3G 셀룰러 Femto 기지국의 개발과 적용에 대해 설명한다. Last-mile residential connectivity에 대한 시장에서의 우위와 그 기술적 과제를 살펴보고, 이에 대한 우수한 솔루션으로 3G femto 기지국을 제안한다. 또한 Maxim의 3GPP TS25.104 규격 충족 무선 솔루션도 제시된다. Femto 기지국 적용에 대한 개요 3GPP의 3G 휴대전화 시스템은 완전한 모바일 멀티미디어 기능을 제공하기 위해 설계되었다. 그러나 많은 경우 수신 가능성 (available reception) 때문에 광범위한 확산이 제한되어 왔는데 특히 원거리 지역(remote area)과 주거지 (residence) 지역이 그렇다. 한 가지 솔루션은 매크로 node-B 셀 사이트를 로딩할 필요 없이 최대 사용자 데이터 전송률로 가정에서 무선 서비스(in-home mobility)를 제공하는 가정용 기지국(home base station)이며, 이것이 바로 "femto" 전력으로 분류된다. +45dBm: 5km 범위의 실외 셀 사이트를 커버하는 매크로 기지국 +30dBm: 0.5km 범위의 캠퍼스를 커버하는 피코 기지국 +15dBm: 50m 범위의 실내 지역을 커버하는 femto 기지국 Femto 가정용 기지국은 주로 주거용 (residential) DSL 라인을 통해 이용 가능한 공공 스위치 전화 네트워크(publicly-switched telephone network)를 통해 네트워크에 액세스한다. 가정에서는 핸드셋만 있으면 femto 기지국과 통화할 수 있으므로 사용자가 매크로 셀을 이용할 필요가 전혀 없다. 다음에서는 femto 가정용 기지국 적용에 대한 기본적인 사항을 살펴보고 Maxim의 무선 솔루션이 이러한 기술에 제공하는 주요 장점을 검토하기로 한다. 셀 커버리지 향상을 위한 일반 사례와 기타 솔루션 비교 검토 이동통신 시스템은 의도적으로 핸드셋 배터리 수명, 핸드셋 컴퓨팅 전력, 셀 사이트 사용자 부하를 트레이드 오프하도록 설계되었다. 또한 이동통신 표준은 끊임없이 향상되는 모바일 DSP 성능을 이용하기 위해 지속적으로 발전하고 있다. 이동통신 사업자(cellular carriers)는 수익을 증대시키고 새로운 고객을 확보하기 위해 이러한 경향을 이용하여 보다 우수한 대용량의 멀티미디어 컨텐츠를 제공한다. 사용자는 '어디서든' 원하는 정보에 접근함으로써 궁극적인 혜택을 얻는다. 예를 들어, 이동통신 가입자는 매년 1억 명씩 증가하기 때문에 매우 원활하고 투명한 경쟁 공급망이 존재하며, 이를 통해 지속적으로 가격은 낮아지고 성능은 높아진다. 광대역 무선 서비스 vs. 이동통신 RF 서비스 이러한 이동통신 개발 노력과 함께 광역-광대역 (wide-area broadband) 무선 시스템도 빠르게 움직이고 있다. 초기에는 소위 '커피숍' Wi-Fi로 무선 인터넷을 사용할 수 있는 특정 레스토랑 주변이나 실내에서 802.11 인터넷에 액세스할 수 있었다. 이후, 일부 도시들은 시내의 주요 지점에 서비스할 목적으로 실험적인 메트로 Wi-Fi 액세스를 구축했다. 이 모델은 매우 성공적이었으며, 2004년에는 '메트로 지역 광대역 무선 액세스' 서비스 관점에서 보다 향상된 무선 시스템 802.16 WiMAX (및 한국의 WiBro) 서비스가 선보였다. 이러한 광대역 무선 시스템은 단일 반송파 변조 대신 OFDM을 사용함으로써 도심의 다중경로를 극복할 수 있지만 4배의 송신 전력이 필요하다. OFDM 802.16d 피크-평균 전력비(pk-avg)는 약 11dBd인데 비해 WCDMA 3GPP pk-avg는 5dB이기 때문이다. Intel®은 폼팩터가 일반적인 셀룰러 핸드셋 크기의 약 6배인 울트라 모바일 PC(UMPC)용 RF-연결(RF-connectivity) 표준을 내놓음으로써 WiMAX 분야를 선점하고 있다. 따라서 UMPC 사례를 통해 WiMAX 서비스의 성공적인 확장을 기대할 수 있지만, WiMAX는 훨씬 더 큰 배터리를 필요로 하기 때문에 소형 배터리가 들어가는 얇은 폴더형 핸드셋에 탑재하기는 쉽지 않다. 송신탑 설치 셀룰러와 WiMAX 적용에 공통적인 한 가지 난제는 송신탑 설치(tower build-out)와 통행권(right-of-way) 액세스 문제이다. 통행권 임대 비용과 '미관상 좋지 않은' 송신탑을 제한하는 각 지역의 규제는 이 두 시스템이 모두 주어진 지역에서 대략 동일한 간격으로 설치할 수 있다는 것을 의미한다. 그러나 이동통신 사업자들은 WiMAX가 선보이기 약 20년 전부터 송신탑을 설치하기 시작했으므로 기지국 송신탑 커버리지와 신규 설치에 있어 명백히 유리한 위치에 있다. 유선 고정 주거용 서비스 적용이 적합한 분야 유선 주거용 액세스(wired residential-access) 시스템은 고정 주거용(fixed-residential) WiMAX와 직접적인 경쟁관계에 있다. 주거용 시스템에는 보통 FTTH(PON), 전화선 DSL 및 케이블 TV 인터넷 액세스 시스템 등이 포함된다. 선진국에서 이 서비스들은 정교한 네트워크 종단 장치가 탑재된 장거리 구간 시설을 기반으로 한다. PON은 상대적으로 새로운 개념이지만, 미국의 네트워크 시내전화 사업자(LEC: local exchange carriers)들은 이미 자체적인 통행권을 소유하고 있으며 기존 구리선을 대체할 필요가 생기면서 새로운 파이버 플랜트 설치 일정을 마련해 놓은 상태이다. Femto 기지국의 적용에 있어, 이들 서비스는 보완적이며 필수적이다. 이에 대해서는 아래에 자세히 설명한다. 기본적인 Femto 기지국 구현 그림 1은 node-B 매크로셀 기지국을 통한 기존의 이동통신 연결과 femto 기지국 설치를 비교한 것이다. 그림 1. 기존의 node-B 매크로셀 이동통신 연결 vs. femto 기지국 연결 그림 1의 왼쪽 시나리오에서는 휴대전화 핸드셋에서 이동통신 송신탑까지 기존의 직접 연결 방식을 보여준다. 여기서는 벽을 통한 손실이 상대적으로 적고 이동통신 매크로 기지국에 비교적 가까이 위치해 있는 목조 주택을 볼 수 있다. 오른쪽 시나리오는 아파트에 femto 기지국이 설치된 콘크리트 고층 건물을 보여준다. Femto 기지국까지 네트워크 공급은 주거용 DSL 라인을 통해 이루어진다. 이러한 시나리오에서는 아파트 건물에 도달하는 신호가 약하다는 것을 알 수 있다. Femto 기지국은 '개인전용 기지국'의 역할을 하므로 매크로셀(들)과 통신하지 않는다. 한 가지 추가적으로 언급하자면 매크로셀과 다른 femto 셀 전송의 필요를 없애주는 femto 기지국의 능력이 핵심적인 설계 문제이며, 이러한 문제는 여러 베이스밴드 DSP 제공업체들에 의해 극복되고 있다. Femto 기지국이 극복해야 하는 이동통신 시스템 문제 통화 능력을 제한하는 주요 요소 기존의 매크로셀 기지국에서는 일반적으로 사용자의 통화가 집중되는 피크 부하 시간에 통화 능력(caller-capacity)이 제한 받는다. 시스템은 트래픽 큐잉 이론(traffic queuing theory)을 사용하여 평균 시간(mean duration) 동안 지속되는 일정한 통화량(quantity of call)을 처리하도록 통계적으로 설계되어 있다. 따라서 장시간의 전화 통화는 피크 부하 시간 동안 통화 능력을 제한한다. 또한 셀 사이트가 경계 지역에서 동작하는 핸드셋에 서비스를 제공해야 할 필요가 있을 때, 매크로셀 송신기는 전력을 증가시켜 각 통화자의 사용 가능한 동적 범위보다 더 많은 부분을 이용할 수 있게 해야 한다. 그 결과, 휴대전화 통화의 에지는 '더 많은 동적 범위를 차지'함으로써 통화 능력을 제한한다(그림 2 참조). 그림 2. 매크로 송신기에서 통화 전력 사용을 개념화한 그림 이러한 두 가지 요소가 매크로셀 사이트 능력을 제한하며, 결과적으로 이동통신 사업자의 수익을 제한하고, 궁극적으로는 신규 가입을 둔화시킨다. DSL 서비스를 이용하는 가정용 기지국 사례 셀룰러 통화의 절반 가량이 가정에서 이용되고 있는 것으로 추정되며, 많은 사용자들이 콘크리트 아파트 건물 내의 수신 상태가 나쁜 데 불만을 느끼고 있다. 그림 3은 두 가지 유형의 건물에 대한 경로 손실 추정을 보여준다. 신뢰할 수 있는 IP 데이터 서비스를 제공하기 위해서는 대부분의 3C 휴대전화는 약 -110dBm 이상의 수신 트래픽 채널 전력을 필요로 한다. 콘크리트 아파트의 경우, 수신기 감도는 사용자가 데이터 서비스를 받을 수 없다는 것을 보여준다. 그림 3. 두 가지 유형의 건물에 대한 경로 손실 한편, 이와 동시에 DSL은 현재 유럽에서 채택 중이고 미국에서는 매우 보편적으로 사용되고 있으며, 중국을 포함한 환태평양 지대의 많은 지역에서는 널리 이용되고 있음을 볼 수 있다. 새로운 DSL 모뎀이 이러한 서비스를 통합하게 될 것이다. 미국과 유럽의 많은 이동통신 사용자들은 가정에 무선 전화(POTS 또는 IP 폰), DSL 또는 케이블 모뎀 컴퓨터 인터넷, TV 서비스, Wi-Fi를 갖추고 있다. 3G 이동통신 사업자들은 이러한 서비스와 경쟁하면서 궁극적인 멀티미디어 서비스를 제공하려고 한다. 그림 4는 가정용 Wi-Fi 액세스 포인트와 공존하면서 무선 전화를 대체하는 femto 기지국을 보여준다. 그림 4. 가정용 Wi-Fi 액세스 포인트와 공존하는 femto 기지국 Maxim의 Femto 기지국 RF 트랜시버 칩셋 Maxim의 V8.0 femto 기지국 기준 설계는 WCDMA 대역 클래스 1을 위한 TS25.104 요구사항을 만족시키도록 설계되었다. 이 RF 칩셋은 베이스밴드 DSP/모뎀에 연결되는 시그마-델타 비트 스트림 디지털 인터페이스를 갖는 2칩 RF 트랜시버로 구성된다. 트랜시버는 낮은 레벨(reduced-level)의 LVDS 인터페이스를 사용하고 베이스밴드 DSP/모뎀에 채널 필터링을 수행하므로, 소프트웨어로 무선을 재구성할 수 있다. RF 트랜시버 부를 위한 완벽한 기준 설계가 개발되었다. 이 기준 설계는 수신기 IC에 통합된 LNA를 사용하여 송신 대역 모니터 모드를 지원한다. 기준 보드의 사진은 그림 5에 나와 있다. 그림 5. Maxim의 femto 기지국 기준 설 UTRA Band 1 Femto 기지국 표준 (3GPP TS25.104) 만족 Femto 기지국 표준의 주요 요구사항은 표 1에 나와 있다. WCDMA femto 기지국의 경우 수신기와 송신기 TS25.104 동적 범위 요구사항을 모두 만족하는 것은 TS25.101 규격 충족 핸드셋에 대한 요구사항을 만족하는 것보다 최소 10dB만큼 더 까다롭다. 그러나 예정된 생산량을 맞추기 위해서는 핸드셋과 유사한 회로 집적과 BOM 비용이 필요하다. 따라서 이상적으로는 저렴하면서도 높은 집적도의 핸드셋 칩셋을 중심으로 시스템이 설계되어야 하며, 동시에 역(reversed) Tx-Rx 대역에서 탁월한 수준의 성능을 제공할 수 있어야 한다(기지국에서 요구되는 것처럼). 표 1. TS25.104 주요 요구사항 Uplink Requirements Description Specification Condition Frequency band 1920MHz to 1980MHz Band 1 Rx sensitivity -107dBm 12.2kbps data rate, BER shall not exceed 0.001% Adjacent channel selectivity (ACS) -101dBm -38dBm, 5MHz offset WCDMA modulated interfering signal Blocking (1900MHz to 2000MHz) -101dBm -30dBm (min), 10MHz offset WCDMA modulated interfering signal Blocking (1MHz to 12,750MHz, except 1900MHz to 2000MHz) -101dBm -15dBm CW carrier Intermodulation -101dBm -38dBm, 10Mhz offset CW signal and -38dBm, 20Mhz offset WCDMA signal Downlink Requirements Description Specification Condition Frequency band 2110MHz to 2170MHz Band 1 Maximum output power Less than +24dBm — Adjacent channel leakage ratio (ACLR) -45dB/-50dB Offset frequency 5MHz/10MHz Error vector magnitude 17.5%/12.5% QPSK/16QAM, RMS 예를 들어, 수신기에서 ACS 측정을 위한 5MHz 오프셋 대역 내 블로커는 -38dBm으로 규정되며, 이는 핸드셋에서 요구되는 -52dBm 블로커보다 훨씬 더 엄격하다. 마찬가지로, 채널 감도 측정을 위한 10MHz 오프셋 대역 내 블로커는 -30dBm으로 지정되는데, 이에 비해 핸드셋에 대한 규정은 -56dBm이다. 이에 따라, 수신기는 훨씬 높은 IIP2와 IIP3 성능을 구현할 수 있어야 한다. Femto 기지국에서 핸드셋보다 높은 수준을 만족하기 위해서는 송신기 선형성 역시 훨씬 더 까다로운 규정이 적용된다. WCDMA 핸드셋의 경우 ACPR은 -33dBm으로 지정되는 반면 TS25.104 femto 기지국에서 ACPR은 -45dBm이다. 시스템 성능 측정 조건과 분석 수신기 감도는 RF 채널의 신호 품질과 DSP 모뎀 부의 베이스밴드 프로세싱에 매우 많은 영향을 받는 시스템 규격이다. 최소 입력 신호 레벨 조건에서 RF 채널 품질은 수신기의 NF에 의해 결정되는 수신기의 잡음 요인(noise contribution)에 의해 전적으로 제한된다. 측정된 수신기 감도는 측정된 시스템 NF로부터 계산된다. 감도 계산에 의하면 Eb/No에서 QPSK 신호(베이스밴드 복조기에 의해 처리)에 대한 0.001% BER을 만족하기 위해서는 7.5dB가 필요하다. 감도는 다음과 같이 계산할 수 있다. 기준 감도 = KTB + NF + (Eb / No) - PG 여기서, BW = 3.84MHz 칩 전송률 (chip rate) KTB = -174dBm/Hz + 10 log(3.84MHz) = -108.13dBm PG = 확산 BW = 10log(3.84MHz/12.2kbps) = 25dB에 대한 12.2kbps 비트율 (bit rate) NF가 10.5dB이면, 감도는 다음과 같이 계산된다. -108.13dBm + 10.5dB + 7.5dB - 25dB = -115.13dBm ACS 및 블로킹 성능 역시 동일한 방법으로 계산된다. 시스템 NF는 지정된 간섭 조건을 사용하여 측정된다. 이 경우 간섭 효과로부터 추가적인 잡음이 발생되므로 NF는 감도 측정값보다 더 떨어진다. Tx 성능은 TS25.141에 지정된 테스트 모델 1 (TM1) 신호를 사용하여 측정된다. TM1 신호는 높은 pk-avg를 가질 수 있는 실제적인 트래픽 시나리오를 시뮬레이트한다. 최대 전력 레벨은 3.84MHz WCDMA 대역폭에서 측정된다. ACLR은 5MHz 오프셋 위치에서 측정된다. 이 경우 송신 ACLR 성능은 주로 외부 PA 성능에 의해 결정된다. V8.0 UTRA Band 1 Femto 기지국 기준 설계의 성능 측정 표 2. V8.0 기준 설계의 성능 측정 Uplink Requirements Description Specification Maxim's Radio Performance Frequency band 1920MHz to 1980MHz Band 1 Rx sensitivity -107dBm Exceeds ACS -101dBm Exceeds Blocking (1900MHz to 2000MHz) -101dBm Passes Blocking (1MHz to 12,750MHz, except 1900MHz to 2000MHz) -101dBm Passes Intermodulation -101dBm Passes Downlink Requirements Description Specification Measured Performance Frequency band 2110MHz to 2170MHz Band 1 Maximum output power Less than +24dBm Passes ACLR -45dB/-50dB Exceeds Error vector magnitude 17.5%/12.5% Exceeds 그림 6. +17dBm 출력 전력 레벨에서 TM1 64DPCH 신호 ACLR 그림 7. +17dBm 출력 전력 레벨에서 TM1 64DPCH 신호 EVM 결론 Femto 기지국은 가정의 휴대전화 사용자에게 훨씬 더 향상된 데이터 네트워크 경험을 제공한다. 회로 설계는 셀룰러 핸드셋과 같이 저렴하면서도 엄격한 기지국 성능 규격을 만족해야 하기 때문에 구현이 어렵다. Maxim의 femto 기지국 칩셋은 3GPP TS25.104 규격의 주요 요구사항을 성공적으로 만족하면서 업계 최소 BOM 부품 수를 제공한다. Intel은 Intel Corporation의 등록상표이다. 의견을 보내주세요! 위 내용이 도움이 되셨나요? 여러분의 의견을 기다립니다 — Maxim은 보내주신 정정이나 제안사항을 반영하고 있습니다. 이 페이지를 평가하고 의견을 보내주십시오. 자동 업데이트 관심있는 분야의 애플리케이션 노트가 나올 때 자동으로 업데이트 받고 싶으세요? 그렇다면 EE-Mail™을 신청하십시오.   다운로드, PDF 형식 (111kB)  AN4063, AN 4063, APP4063, Appnote4063, Appnote 4063