회로엔지니어의 note

2019년 4월을 시작으로 우리나라에서 최초로 5G 서비스를 시작했습니다!

서비스 개시 후 벌써 2년이 다되어가는데 아직도! 5G의 특별한 점을 모르겠다고 얘기하는 것 같습니다.

도대체 5G는 뭐길래 그렇게 강조하고 그럼에도 불구하고 사람들이 만족하지 못하는지 알아도록하죠!

5G 란 무엇일까요?

5G는 4G보다 더 나은 서비스를 제공하는 통신 환경(세대)입니다.

사용자에게 가장 와 닫는 속도 측면에서 5G는 4G에 비해 무려 20배에 달하는 속도를 경험할 수 말합니다.

5G는 크게 나누었을 때 6 GHz 주파수 아래 대역인 Sub-6와 더 높은 28 GHz 대역인 mmWave로 나누어집니다.

이중 현재 Sub-6 대역을 상용화 중에 있고, mmWave는 서비스까지 아직 시간이 더 걸릴 것으로 예상됩니다.

mmWave까지 네트워크 망이 잘 사용화 된다면, 지금 4G 혹은 LTE로 1분 동안 다운로드하여야 하는 동영상을 3초 만에 받을 수 있는 것이지요!

그래서 5G를 넘어가면서 기기에 직접 다운로드하는 게 아닌 클라우드를 기반으로 스트리밍 하는 서비스가 가능해질 것으로 예상됩니다.

그런데 왜 아직 그렇게 빠르지 못한가!

여기엔 몇 가지 이유가 존재합니다.

1. 부족한 네트워크망

5G 상용화 초기단계이기 때문에 통신 3사에서 아직 망을 구축하는 단계입니다.

통신망을 그물처럼 생각했을 때 아직 그 망이 충분히 촘촘하지 않다는 이야기이죠.

5G 신호가 부족할 때 4G 통신이 사용되게 되는데요. 아직 사용자 데이터가 충분히 축적되지 않았기 때문에 어느 부분이 부족해서 보충해야 하는지에 대한 정보가 부족하므로 조금 더 시간이 지나면 쌓인 데이터를 기반으로 통신망을 안정화시켜 안정적인 5G 통신이 이루어지고 평균 전송속도도 올라갈 것으로 예측됩니다.

2. 28 GHz대역 비활성화

 5G 통신에 있어서 핵심이 되는 주파수인 28GHz 대역이 아직 기술 부족으로 상용화되기 힘들기 때문입니다.

28 GHz 대역은 기존에 사용하던 Sub 6 GHz 대역에 비해 주파수가 매우 높아 도달거리가 짧고 경로에 나뭇잎같은 작은 물체만으로도 통신이 불가능합니다. 하지만 기존에 이미 꽉차서 할당되는 대역이 적은 SuB 6GHz대역에 비해 많은 대역을 통신으로 사용할 수 있어 28GHz대역이 상용화 되면 진정한 5G를 이룰 수 있다고 말하기도 합니다.

실제 우리나라에서 사용하는 주파수로는 Sub 6GHz (3.42~3.70 GHz), 28 GHz (26.5~29 GHz)로 대역폭이 5배 정도 증가하는 것을 확인할 수 있습니다.

쉽게 Sub 6 GHz와 28 GHz를 비유하자면 대역을 농지에 비교해 볼 수 있습니다.

Sub 6 GHz 대역은 인구 밀집도가 높고 개간이 쉬운 서울 및 수도권, 28 GHz 대역은 산과 같은 험준한 지형이 많아 개간이 힘든 강원도라고 생각할 수 있습니다. 서울 및 수도권에 더 많은 땅을 사용하여 농사를 지으면 많은 쌀을 수확할 수 있지만 이미 포화상태이므로 어렵고 초기 투자비용이 큰 강원도로 옮겨가 넓은 땅을 개간해 농사를 짓는 것입니다. 그러면 기존보다 많은 쌀을 수확할 수 있을 것입니다.

농지가 넓어지면 쌀을 많이 수확할 수 있듯이, 주파수 대역이 넓으면 더 많은 데이터를 짧은 시간에 전송할 수 있습니다. 결과적으로 28 GHz 대역의 기술을 개발해 5G의 목표인 20 Gbps에 도달하고자 하는 것입니다.

5G의 성능, 가능한 서비스

단순히 속도만 빠르다고 5G가 아닙니다!

5G라면 만족해야 하는 세 가지 성능이 있습니다.

eMBB(enhanced Mobile Broad Band) 초광대역을 사용해 최대 20 Gbps의 전송속도

URLLC(Ultra Realiable Low Latency Communication)  1ms이하의 초저지연을 통한 높은 신뢰성

mMTCC(massive Machine Type Communication) 최대 1km 제곱당 100만 대의 초연결을 목표로 하고 있습니다.

4G와 비교해 보면 다음과 같습니다.

이처럼 더 좋아진 성능을 기반으로 여러 가지 서비스가 가능해질 것입니다.

- 8k 이상의 고화질 영상 시청, VR, AR, 홀로그램

이전보다 10배 빨라진 통신으로 다양한 실감 콘텐츠들을 끊김 없이 즐길 수 있습니다.

- 자율주행

5G가 필요한 핵심적인 이유 중 하나로 꼽히는 기술입니다.

기존에 4G를 사용한다면 자율주행 자동차가 10ms의 지연되어 상황을 인지, 처리할 것입니다.

120km/h로 달리는 자동차라면 사고가 발생 후 33m를 더 간 후에 인지하고 대처를 하여 상당히 큰 문제입니다.

이제 5G를 이용하면 1ms의 최대 지연율을 가지므로 3.3m 내에 인지하여 훨씬 안전한 주행이 가능해집니다.

 - IoT, 스마트 시티, 스마트 홈, 스마트 팩토리

수많은 기기를 연결 하하고 실시간으로 신뢰인는 통신을 통해 가능해지는 기술들입니다.

5G 핵심기술

목표 사항들을 맞추기 위해서 국가별, 기업별 대규모 투자를 통해 기술개발에 힘쓰고 있습니다.

하지만 아직도 위에 언급한 것처럼 28 GHz 대역 상용화 같은 문제들이 남아있고 이를 해결하기 위한 핵심 기술에는 어떤 게 있는지 알아보겠습니다.

1. MIMO(Multi Input Multi Output)

다중 안테나를 사용하여 송신, 수신에 필요한 안테나 수를 상황에 맞게 조절하고 이를 통해 지연 시간을 줄이기도 하고 더 많은 사용자에게 배분하여 통신을 할 수도 있습니다. 

기존에 LTE에서도 4x4 MIMO로 최대 4개의 안테나를 사용한 통신을 지원했지만 5G에서는 보다 많은 안테나로 통신이 가능하게 지원하게 됩니다.

또한 massive MIMO 기술은 각 신호의 위상을 조절하여 빔포밍(Beamforming)을 가능하게 해주는 중요한 기술입니다.

2. Beamforming

위에서 언급했다시피 28 GHz 대역에서의 가장 큰 문제인 도달거리를 위한 설루션이 되는 기술입니다. 일반적으로 하나의 안테나에서는 신호가 방향성 없이 여러 방향으로 뻗어나가게 됩니다. 이러한 신호들의 위상을 조절하면 이 신호의 방향성을 만들어 줄 수 있고 이에 따라 원하지 않는 방향으로의 신호를 줄이고 원하는 방향으로 더 멀리 도달 가능합니다.

3. Network Slicing

네트워크 슬라이싱 기술은 통신사에서 데이터를 서비스할 때 서비스의 목적에 맞추어 채널의 특성을 조절 가능하게 해 줍니다. 이를 개별 서비스 간의 품질(QoS : Qualit-of-Service)라고 합니다.

위의 그림과 같이 5G에서는 데이터가 적게 필요한 검색에 적은 자원을 할당하고 스트리밍 서비스에 많은 자원을 할당해 사용이 가능하고, 그에 따른 서비스별 다른 과금체계를 구축할 수 있습니다.

Ex) 4G에서 통화 서비스와 데이터 서비스별 요금제가 있던 것처럼, 데이터도 세 부화되어 검색, 스트리밍, SNS 등으로 서비스가 가능한 것을 의미합니다.

특히 자율주행차, 스마트 팩토리와 같이 지연율에 민감한 서비스들 또한 QoS의 차별화를 통해 지연율에 특화된 서비스를 제공하고 그에 맞는 각각의 과금체계를 만들 수 있습니다.

5G 현주소

1. 5G 전송속도

2020 12월의 자료에서 5G를 사용했을 때의 데이터 전송속도를 보면 다음과 같습니다.

현재 우리나라에서 제공하는 평균적인 5G 데이터 전송속도는 351 Mbps로 LTE보다 약 5.6배로 나타나네요.

다른 국가들에 비해 확실히 빠른 속도를 보장하고 있습니다.

5G 연결성은 전체 데이터 사용 중 5G를 이용 가능한 비율을 의미하는데 아직 5G 망의 안정화가 안되었기 때문에 LTE로 통신이 넘어가는 경우가 아직 많습니다.

아직 우리나라도 25% 정도의 연결성을 보이기 때문에 위에서 언급드린 대로 통신 3사에서 더 통신망을 보급하게 된다면 LTE의 연결성인 90% 이상의 안정도를 가지고 더 높은 데이터 전송속도를 체감할 수 있을 것입니다.

2. 국내 5G 현황

국내 5G 이용자 수와 데이터 사용량을 다음과 같이 볼 수 있습니다.

현재 2021년 1월 기준으로 거의 2년만에 5G가입자 수가 1000만명을 돌파했다고 합니다. 

이와 같은 추세라면 10년내로 4G는 3G와 같이 취급되겠네요..

데이터 사용량은 역시 빠른 데이터 속도만큼 그 양도 가파르게 증가하는걸 볼 수 있고, 전체 통신 데이터 사용량이 증가하는 추세를 보면 역시 왜 5G를 통한 초고속 통신이 필요한지 알 수 있습니다. 

긴글 읽어주셔서 감사합니다.

추가로 궁금하거나 잘못된 내용 피드백 댓글달아주세요!

전송선로는 영어로 transmission line으로 말 그대로 신호가 지나가는 선을 의미합니다.

회로이론에서 보던 이런 선과 동일합니다.

그런데 왜!!! 어려운 이론을 사용해서 복잡하게 만들까요?

우리가 사용하는 신호가 지나가는 라인을 잘 살펴보면 이런 간단한 구리 도선에도 비저항(로)이 존재해 저항 성분이 존재하고 흐르는 전류에 의한 자체 인덕턴스, 그라운드와 사이에 금속 배치로 인한 커패시턴스, 컨덕턴스가 존재합니다.

그런데 실제 회로를 디자인할 때 사용하는 신호가 교류(AC) 이기 때문에 신호의 주파수(f)가 증가함에 따라 신호가 지나가는 선의 기생 성분들이 큰 임피던스를 가져 신호를 반사하기도 하고 공진을 일으켜 높은 주파수에서 동작하는 회로를 설계하기 위해서는 필수적으로 이 성분들을 고려해줘야 합니다.

매우 정확한 결과를 얻기 위해서는 전자기학에서 배운 맥스웰 방정식을 사용해 모든 기생 성분을 구해야 합니다.

하지만 회로가 복잡해질수록 계산의 양이 어마어마 해지기 때문에 보다 쉬운 해석 방법을 찾았고

이 복잡한 구조를 알아보기 쉬운 익숙한 회로적 소자(lumped element)로 모델링해놓은 것이 전송선로 모델링입니다.

대표적인 예로 PDN(Power distribution network)에서 사용이 됩니다.

PDN이란 전력이 전송되는 데에 영향을 미치는 회로와 체계를 분석하고 개선하는 분야입니다.

 회로 PDN은 전력을 공급하는 VRM(Voltage Regulator module)부터 IC chip까지 도달하기전에 있는 pcb line, bond wire, 연결부위(Interconnects)와 기생 성분들을 분석하고 원하는 전력(Power)이 부하(load)에 도달할 수 있게 합니다.

실제로 간단해 보이는 이런 회로를 분석해보면 이러한 임피던스 스팩트럼이 나타나게 됩니다.

저렇게 공진에 의해 임피던스가 커지게 되면 회로에 흐르는 전류와 곱해져 전력 손실이 발생하게 됩니다.

따라서 이를 분석해 목표 임피던스(Target Impedance) 이하로 낮추는 설계를 하게 됩니다.

위에서 살펴본 전송선로 모델을 통해 신호가 진행할 때의 전압, 전류의 형태를 알아볼 수 있습니다.

간단한 회로이론을 이용해 V(z)와 I(z)의 변화량을 구해보면 다음과 같습니다.

양 좌우 변을 한번 더 미분한다면 다음과 같은 형태가 나옵니다. 

이는 공학 수학에서 배운 계수가 상수인 이차 선형 미분방정식(2 order ODE)을 통해 계수가 γ인 V(z), I(z)를 구할 수 있습니다.

따라서 V(z), I(z)는 다음과 같이 두항으로 나눠지고 이때 V0+는 정방향으로 진행하는 신호의 전압, V0-는 반사되어 반대방향으로 진행하는 전압임을 알 수 있습니다.

상수 γ는 허수를 포함함으로 실수항과 허수항으로 나누어서 표현하면 아래와 같이 나타낼 수 있고

여기서 α는 파동이 진행함에 따라 진폭이 감쇠되는 정도를 나타내는 감쇠 계수(attenuation constant)

β는 파동이 진행함에 따라 위상이 변하는 정도를 나타내는 위상 상수(phase constant)라고 합니다.

조금 더 나아가면 전송선로의 어느 지점이든 동일한 전압과 전류의 비인 특성 임피던스를 구할 수 있습니다.

위에서 보았던 식들에서 반사파가 없는 상황 즉 V0- = 0을 가정한 후에 정리하면

다음과 같이 특성 임피던스 Z0를 구할 수 있습니다.

이 특성 임피던스를 이용해 임피던스가 달라질 때 신호가 얼마나 반사되는지 나타내는 반사 계수를 구할 수 있습니다!

전송선로 위에서 어느 지점이든 전압과 전류의 비가 Z0로 일정하기 때문에 다음과 같이 ZL이 Z0로 정리됩니다.

반사 계수 ΓL은 입력된 신호가 얼마나 반사되는지를 나타내는 척도 이므로 반사된 전압을 입력 전압으로 나누어주면 최종적으로 로드 임피던스(Load Impedance) ZL과 특성 임피던스 (Characteristic Impedance)의 관계로 주어집니다.

전송선로의 활용!! 

반사 계수는 로드 임피던스와 특성 임피던스의 관계식으로 정해짐으로 신호가 진행하는 회로에서 전송선로를 모델링을 통해 특성 임피던스를 구하게 된다면 신호가 인가되어 로드에서 최소한의 반사가 일어나게 설계할 수 있습니다. 

이렇게 임피던스를 맞춰 회로를 최적화하는 작업을 임피던스 매칭이라고 하고 인덕터와 커패시터를 직병렬로 추가해 매칭 네트워크를 만들기도 합니다.

또 위의 예시와 같이 PDN에서 신호 경로에 있는 기생 성분들을 파악하여 문제 부분을 해결하고 안정적인 파워 공급을 할 수 있도록 도와줍니다.

궁금한 점이나 잘못된 점 있으면 댓글 남겨주세요~

도움이 되셨다면 공감 버튼 부탁드립니다!

테브난 등가 회로는 복잡한 회로를 훨씬 더 간단하게 해석하는 데 사용되는 유용한 이론입니다.

노턴 등가 회로는 같은 이론의 다른 표현이라고 생각하셔도 문제없습니다.

택배를 보내려면 받는 사람이 어떤 사람이냐 보다는 실제 주소, 전화번호, 이름이 가장 중요하겠죠!

회로에서도 마찬가지로 역할이 다른 파트들을 합칠 때 가장 중요한 정보인 

입출력 저항(Rt), 오픈 전압(Voc), 쇼트 전류(Isc)를 테브난 등가 회로를 통해 알아낼 수 있습니다!

왜 저 세 가지 정보가 중요한지 알아보기 위해 쉬운 예를 보겠습니다!

모든 회로는 위처럼 회로 A와 회로 B의 연결로 볼 수 있습니다.

회로 B를 RL(3kΩ)에 3V 이상의 전압이 걸리 때 불이 들어오는 LED라고 생각해보겠습니다.

Vs를 3V의 전압원을 주면 RL에는 3k/(Rs+3k) * 3V 만큼의 전압이 걸려  Rs>0 이면 LED에 불이 들어올 수 없습니다.

이 때문에 항상 소스의 출력 전압인 Rs는 작게 로드의 저항 RL은 크게 만드는 게 중요합니다!

실제 회로에서는 입력과 출력 모두 복잡하기 때문에 테브난 등가 이론을 이용해 위 마지막 그림처럼 만들어주는 게 중요한 거죠!

지금까지 테브난 이론이 무엇인지, 왜 필요한지에 대해 알아보았으니 실제 변환 방법과 예제를 풀어보도록 하겠습니다!

테브난 등가 회로로의 변환은 다음과 같이 세 단계로 쉽게 구할 수 있습니다.

1. 독립전원(indipendent source) 분리

2. 테브난 전압 구하기

3. 테브난 등가 저항 구하기

첫 번째, 

각각의 독립전원들은 중첩의 원리(superposition principle)에 의해 각각 계산한 것의 합과 같습니다.

독립 전압 전원(Independant voltage source)은 단락(short)시키고

독립 전류 전원(Independant current source)는 개방(open)시키도록 합니다.

두 번째,

테브난 등가 회로의 포인트는 어디서 바라보는지입니다!

다른 부가적인 회로를 붙일 부분을 정하고 외부 회로 입장에서 회로 A부분의 세 가지 요소를 구하기 때문입니다.

따라서 노드 a, b사이의 전압 Vab를 구해주면 됩니다.

 (1) 전류 소스 회로에 의한 Vab(1)

다음과 같이 전류 소스 회로를 재구성하면 쉽게 알아볼 수 있습니다.

노드 a, b사이 저항값과 흐르는 전류를 곱하면 전압 Vab를 구할 수 있는데

전류는 6Ω 의 저항이 있는 A와 12Ω저항이 있는 B에 분배되어

 1A * 6Ω/(6Ω + 12Ω) = 1/3A의 전류가 b에서 a로 흐릅니다.

따라서 전압 Vab는 - 6Ω * 1/3A = -2V가 됨을 알 수 있습니다.

 (2)  전압 소스에 의한 전압 Vab(2)

위와 같이 회로를 재구성하면 Vab는 12V * 6Ω/(6Ω + 6Ω + 6Ω) = 4V 임을 구할 수 있습니다.

따라서 테브난 전압 Vt = Vab(1) + Vab(2) = -2V + 4V = 2V입니다.

세 번째,

마지막으로 외부에서 바라본 저항을 구해주면 됩니다.

마찬가지로 모든 전원들을 없애주고,

노드 a,b를 기준으로 직렬, 병렬회로를 그려주시면 쉽게 구할 수 있습니다.

위와 같이 재구성 후 합성 저항을 구해주면 밖에서 바라본 테브난 저항은

따라서 다음과 같이 테브난 저항 Rt는 4Ω, 테브난 전압 Vt는 4V인 등가 회로를 구성함을 알 수 있습니다.   

노턴 등가 회로는 전류 소스와 등가 저항으로 이루어지는데,

노턴 전류 In = Vt / Rt로 구할 수 있습니다.

이를 통해 회로 외부에서 바라본 입출력 저항(Rt) = 4Ω, 오픈 전압(Vt) = 4V, 쇼트 전류(In) = 1A 임을 확인할 수 있습니다.

추가로 모르겠는 부분, 잘못된 점 언제든지 댓글로 남겨주세요!

피드백은 언제나 환영입니다~~ +_+

도움이 되셨다면 좋아요 부탁드립니다!