Development and Characterization of Mobile Transceiver for Millimeter-Wave Channel Sounding Measurement

밀리미터파 채널사운딩 측정을 위한 이동형 송수신 장치의 개발과 특성평가

Abstract

In this paper, the design, implementation, and analysis of a device capable of transmitting and receiving millimeter-wave signals and performing channel sounding measurements in atmospheric conditions at distances of up to approximately 10km outdoors are presented. The device is expected to be instrumental in studying the propagation characteristics of millimeter-wave frequencies. Utilizing data such as received power levels and power delay profiles (PDPs), comparisons with predicted values using path loss, K-factor, and other propagation models are facilitated. The mobile transceiver unit, integrated onto a vehicle platform, allows for flexible adjustment of transmitter and receiver positions, while synchronization issues with distance are mitigated using a rubidium atomic clock. Furthermore, automatic boresight alignment using scanning techniques is employed to locate the main sector of the antenna.

본 논문에서는 야외 환경에서 약 10 km 거리까지의 대기공간을 이용하여 밀리미터파 대역의 전파를 송수신 및 채널사운딩 측정할 수 있는 장치를 제작하고 그 특성을 알아보았다. 이 장치는 밀리미터파 대역의 전파 특성 연구에 큰 도움이 될 것으로 예상한다. 측정된 수신세기, PDP 등의 데이터를 통해 PathLoss, K-factor, 전파모델 예측치와의 비교 분석등을 할 수 있다. 이동형 송수신 장치는 차량에 탑재되어 송신소와 수신소의 위치를 자유롭게 변경할 수 있으며 거리에 따른 동화기 문제를 해결하기 위해 루비듐 원자시계를 사용하였다. 안테나의 주요 섹터를 찾기 위해 스캐닝을 활용한 자동 보어사이트 정렬 기능을 적용하였다.

Ⅰ. 서론

밀리미터파란 EHF(Extremely High Frequency) 대역을 뜻하며 자유 공간에서 파장의 길이가 1mm~10mm를 갖는 전자기파, 즉 30 GHz 이상 300 GHz 이하 대역 주파수를 말한다.

무선통신 주파수는 저대역부터 개발되기 시작하여 초연결 사회로의 진입 및 빅데이터의 출현으로 인해 무선네트워크의 용량 부족과 주파수 포화 상태에 이르면서 높은 대역 주파수 사용이 필요해졌고 그에 따라 세계 각국은 밀리미터파 대역 기술을 개발하고 있다. 기존에는 레이더, 위성통신 분야에서 주로 활용되었으나 60GHz 대역에서 무선랜이 검토되고 있고, 차량 충돌 방지용 레이더로서는 24GHz와 77GHz, 군수용 AESA 및 레이다를 위해서 밀리미터파가 사용되고 있다.^[1],[2]

그림 1은 밀리미터파 대역의 km당 평균적인 흡수 특성을 보여주고 있다.^[3]

그림 1. 밀리미터파의 대기 감쇠 특성

Fig. 1. Average atmospheric absorption of millimeter waves

위 그림과 같이 밀리미터파 대역 중 일부 주파수는 높은 감쇠 특성을 가지고 있기 때문에 실 사용에 부적합하며 효율적인 주파수 선정을 위해서는 주파수별 채널 사운딩 측정을 통해 전파 특성 연구가 필요하다. 본 연구에서는 효율적인 밀리미터파 대역의 주파수 선정을 위해 해당 주파수의 전파 특성을 연구하기 위한 이동형 송수신 장치를 설계, 개발하고 특성을 평가하였다.

Ⅱ. 이동형 송수신 장치 설계

본 연구에서 설계하고 제작한 이동형 송수신 장치는 최대 10km의 거리에서 송신소와 수신소가 설치되어 밀리미터파의 대기 감쇠 특성을 고려하여 사용이 높을것이라 전망되는 주파수 대역의 전파 특성을 측정하는 데 사용될 예정이다. 표 1은 이동형 송수신 장치의 주요 사양을 나타내고 있다. 본 연구에서 설계한 이동형 송수신장치의 측정 가능 주파수 대역은 80 MHz ~ 2 GHz, 그리고 26.5 GHz ~ 90 GHz다. 기본적인 전파환경을 측정하기 위하여 Log-Periodic Broadband Antenna를 선정하였으며 밀리미터파의 대기 감쇠 특성과 대한민국 주파수 분배를 고려하여 시험할 중심 주파수는 32 GHz, 42.5 GHz, 73 GHz로 임의 선정하였다.

표 1. 이동형 송수신장치 주요 사양

Table 1. Major specification of mobile transceiver

그림 2는 이동형 송수신 장치의 구성도이다. 송신소와 수신소를 자유롭게 변경할 수 있도록 각 SUV 차량과 MPV 차량에 탑재 가능하게 설계하였으며 개발 당시 신호 발생기 자체로 73 GHz 주파수 대역 신호를 발생시킬 수 없었기 때문에 별도 주파수 변환기를 통하여 73 GHz 신호가 생성되도록 설계하였다. 주파수 변환기를 운용하기 위해서는 LO 신호를 입력시킬 수 있는 주파수 발생기가 송신소와 수신소에 각 한대씩 필요하다. 그 외 부수적으로 송신소와 수신소의 시험 환경을 함께 측정할 수 있도록 DGPS, 기상장치 등을 활용하였으며 수신소에는 채널사운딩을 수행할 수 있는 스펙트럼 분석기가 필요하며 IQ 데이터를 분석할 수 있는 소프트웨어가 필요하다.^[4]

그림 2. 이동형 송수신 장치 구성도

Fig. 2. Configuration diagram of mobile transceiver

그림 3은 CCU와 CCD라는 주파수 변환기를 활용하여 73 GHz를 송신 및 수신할 수 있도록 설계한 흐름도이다. 송신소와 수신소에 동기화 된 루비듐 원자시계를 배치하여 같은 클럭을 발생시키고 송신소의 IF용 신호발생기와 LO 신호발생기에서 각 9 GHz, 16 GHz 신호를 생성한 다음 Up converter에 입력시켜 최종적으로 73 GHz의 신호를 송출한다. 반대편의 수신소에서는 LO용 신호발생기에서 같은 주파수인 16 GHz의 신호를 생성하여 Down Converter에 입력하여 최종적으로 9 GHz의 IF 신호가 스펙트럼 분석기에 도달한다.

그림 3. 주파수 변환기를 활용한 신호 흐름도

Fig. 3. Signal flow diagram using frequency converter

물리적으로 멀리 떨어진 송신소와 수신소의 위치를 감안하여 정확한 전파 지연시간을 측정하기 위해서는 신호발생기와 신호 분석기 간 동기가 필수적이다. 송/수신소간 동기는 GPS의 1 PPS 신호를 활용할 수 있으나 최대 10 km라는 짧은 전송거리와 전파의 전파 속도 등을 고려하여 더욱 오차가 적은 루비듐 원자시계를 채택하였다. 루비듐 원자시계는 그림 4와 같이 2개의 원자시계를 연결하여 동기화하였을 때 두 클럭의 바이어스 오차가 2 ns 미만임을 확인할 수 있다. 따라서 두 클럭은 동기화되었음을 알 수 있다.^[5]

그림 4. 원자시계 교정 결과

Fig. 4. Result of discipling the clock directly

루비듐 원자시계를 활용하여 동기를 맞추었다면 그 외에는 근거리 또는 Anechoic Chamber에서 시험할 때와 차이점은 근소하다. 다만 10km라는 먼 거리에서 정확한 측정을 하기 위해서는 정밀한 Link Budget 계산이 필요하다. 이를 위해서 자유 공간 경로 손실을 계산하여야 한다. 자유 공간 경로 손실은 다음과 같다.

\(\begin{align}L_{P S}=\frac{P_{t}}{P_{r}}=k\left(\frac{4 \pi d}{\lambda}\right)^{2}\end{align}\)       (1)

여기서 k는 자유 공간 경로 손실 계수이다. 이를 데시벨로 표현하면 다음과 같다.^[6]

\(\begin{align}L=20 \log _{10}\left(\frac{4 \pi R}{\lambda}\right)\end{align}\)       (2)

따라서 10km 거리에서 자유 공간 경로 손실은 32 GHz에서 142.54 dB, 42.5 GHz에서 145 dB, 73 GHz에서 149.7 dB이며 자유 공간 경로 손실은 파장과 반비례하여 시험하고자 하는 주파수 대역에서 상당히 큰 손실이 일어남을 알 수 있다.

그림 5는 자유 공간 손실 중 가장 값이 큰 73 GHz 주파수 대역을 대표로 링크 버짓을 계산한 결과이다. 모두 합산하였을 때 최종 손실은 -79.1 dB이다. 이 손실을 고려하였을 때 신호발생기에서 14.1dBm의 출력으로 신호를 생성한다면 스펙트럼 분석기에 -65dBm 크기의 신호가 수신되기 때문에 PDP 측정이 충분히 가능할 것으로 판단된다.^[4] 따라서 IF용 신호 발생기는 30 dBm의 출력이 가능한 모델로 선정하였다.

그림 5. 73 GHz의 링크 버짓 결과

Fig. 5. Result of Link Budget at 7X GHz

각 장비는 이동형 송수신 장치에 탑재되어 차량에 설치된 배터리를 통해 전력을 공급받을 수 있으며 별도 상전 인입 장치를 구비하여 전력이 공급되는 지역에서는 상전을 통해 24시간 운용이 가능하도록 설계하였다. 차량에는 리튬 인산철 배터리 12V 400A 모델을 2개 설치하여 총 9.6kWh 용량의 배터리를 탑재하였으며 용량은 탑재된 장비를 모두 사용하였을 때 8시간 운용할 수 있도록 설계하였다.

그림 6은 각 장비에 인입되는 전원 사양을 표기하였다. 신호 발생기, 스펙트럼 분석기, 네트워크 장비 등은 AC 220V를 사용하며 그 외 마스트, 포지셔너 등은 DC 24V와 12V를 사용한다. 이에 대한 전원 공급은 인버터와 별도 전원분배장치를 설계하였다.

그림 6. 전원 공급도

Fig. 6. Power Supply Line

송수신 장치의 위치는 DGPS를 통해 좌표를 부여받아 지도에 표현되도록 하였기 때문에 지도엔진이 필요하나 구글어스를 활용하여 지도를 구현했으며 수신 장치에서 송신 장치를 원격으로 조종할 수 있도록 운용 소프트웨어를 설계하였다. 이러한 기능을 정상적으로 사용하기 위해서는 송수신 장치간 네트워크가 이루어져야한다. 하지만 해당 장치들은 이동형으로 이루어졌기 때문에 무선네트워크가 필요하며 이동통신사에서 제공하는 LTE 라우터를 설치하는 것으로 설계하였다.

Ⅲ. 이동형 송수신 장치 제작

2장에서의 설계 내용을 바탕으로 그림 7과 같이 이동형 송수신 장치를 제작하였다. 수신 장치는 MPV 차량에 탑재되어 차량 내부에 모든 장비를 탑재하였고 송신 장치는 픽업트럭 형태의 SUV 차량 뒤에 별도 쉘터를 제작하여 장비를 탑재하였다.

그림 7. 이동형 송수신 장치 형상

Fig. 7. Mobile Transceiver Shape

송수신 장치에는 각각 마스트와 포지셔너가 설치되어 안테나 높이는 지상고로부터 5m까지 확장할 수 있으며 포지셔너는 Azimuth축으로는 0° ~ 360°, 그리고 Elevation축으로는 -45° ~ 45°로 구동 가능하며 별도 브라켓 장착을 통해 다양한 안테나를 설치할 수 있도록 제작하였다.

그림 8은 송수신 장치를 제어할 수 있는 소프트웨어다. 해당 소프트웨어를 활용하여 송출하고자 하는 신호원을 입력할 수 있고 마스트, 포지셔너 등을 제어할 수 있다. 수신장치에 한해 원격으로 송신장치를 제어할 수 있는 기능도 추가하였다. 전파 특성 시험을 위해 가장 중요한 것은 Boresight 정렬이다. 이 부분은 송신장치와 수신장치에서 각각 Scanning을 하는 것으로 제작하였다. 수신 장치에서 1회 수행 → 송신 장치에서 1회 수행 → 다시 수신 장치에서 1회 수행하는 것으로 총 3회 수행하며 사용자는 Azimuth, Elevation의 레인지와 스탭수를 설정하여 실행할 수 있고 소프트웨어에서는 포인트별 레벨값을 저장하여 Scanning이 종료되면 가장 레벨이 높았던 안테나 자세값으로 변경한다. 송신 장치에서 Scanning을 수행할 때는 수신장치와 네트워크 연동을 통해 자세별 레벨값을 인식하여 최종적으로 송신 장치에 전달하는 방식이다.

그림 8. 이동형 송수신 장치 제어 소프트웨어

Fig. 8. Control Software of Mobile Transceiver

그리고 송수신 장치 제어 소프트웨어 외에도 제어기에는 채널사운딩 측정을 위한 상용 소프트웨어를 탑재하였다. 해당 소프트웨어는 Rohde&Schwarz 사의 제품으로 PDP 측정이 가능하며 이를 기반으로 RMS delay spread, time of flight, Doppler 등을 분석할 수 있다. 또한 사용자가 원하는 Waveform을 선택하여 변조 후 시험할 수 있으며 필요하다면 직접 제작하여 신호 발생기 및 채널사운딩 측정 소프트웨어에 입력할 수 있다.

그림 9. 채널사운딩 측정 소프트웨어

Fig. 9. Channel-sounding Measurement Software

Ⅳ. 성능평가 및 측정 결과

본 연구에서 제작한 이동형 송수신 장치의 성능을 평가하기 위해 송신소와 수신소 간 거리를 늘려가며 평가를 진행하였다. 가장 짧은 거리인 1.03km 부터 시험 수행 하였으며 최대 9.81km 거리에서 측정하였다. 진행방식은 송신과 수신 지점의 GPS 정보를 활용하여 Boresight를 맞춰 거리에 따른 Azimuth 값과 Elevation을 조정하였으며 해당 자세를 Main Sector로 Azimuth Sector별 30도 단위로 측정 진행하였고 Elevation Sector별 -30, 0, 30도 단위로 측정 진행 하였다. 그림 10은 9.81km 거리에서 측정한 결과로 설계하였던 10km와 근사한 지점에서 채널사운딩 측정을 성공하였음을 확인하였다.

그림 10. 채널사운딩 측정 결과

Fig. 10. Result of Channel-sounding Measurement

Ⅴ. 결론

본 연구에서는 그동안 실내 환경 위주로 측정이 진행되던 밀리미터파 대역의 채널사운딩 측정을 야외 환경에서 측정할 수 있도록 지원하는 이동형 송수신 장치를 설계 및 제작하였다. 해당 장비는 9.81km의 전파 송수신 거리에서 채널사운딩 측정이 가능함을 확인하였다. 이를 통해 Power dealy profile 등을 측정할 수 있다. 다만 현 장치는 SISO 시스템으로써 Multi-path 영향을 측정하는데 제약이 있다. 따라서 추후 MIMO 시스템으로 변환하여 Multi-path에 대한 결과도 원활히 확인할 수 있기를 기대한다.