`5G 상용화` 선도 퀄컴 … 모든 주파수대역 부품·모듈 갖춰

NR모뎀칩 내년 스마트폰 탑재
6㎓이하 RF모듈 세계 첫 발표
밀리미터파 적용 가능성 제시

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`5G 상용화` 선도 퀄컴 … 모든 주파수대역 부품·모듈 갖춰
5G 밀리미터파(mmWave) 인포그래픽

`5G 상용화` 선도 퀄컴 … 모든 주파수대역 부품·모듈 갖춰
퀄컴 QTM052 안테나 모듈. 퀄컴 제공

5G(세대) 상용화를 앞두고 단말기 및 장비업체, 반도체 업체들이 초기 기술시장 선점을 위한 치열한 각축전을 벌이고 있다. 특히 5G 시대 메인 기기인 스마트폰 제조사들은 내년 상반기 첫 5G 스마트폰을 선보이기 위한 경쟁이 한창이다. 4G LTE 시장을 선도했던 스마트폰 칩 제조사 퀄컴 역시 모든 주파수 대역을 지원하는 RFFE(RF프론트엔드) 부품 및 모듈을 공급할 수 있도록 만반의 준비를 다하고 있다.

퀄컴은 현재 모든 주파수 대역을 지원하는 RFFE 부품 및 모듈을 공급할 수 있는 유일한 기업이다. 이미 지난 2월 LG유플러스, 노키아와 함께 5G 국제 표준 기반의 데이터 통신 시연에 성공했고 KT, 삼성전자와 함께 3GPP(이동통신 표준화 기술협력 기구) Rel-15 NSA(논스탠드얼론) 5G NR 규격에 기반한 상호 호환성 시험도 완료했다. 지난해에는 에릭슨·SK텔레콤과 공동으로 글로벌 표준 기반 밀리미터파 대역 5G 기지국, 단말 상호 연동 테스트도 성공했다. 퀄컴 스냅드래곤 X50 5G NR 모뎀칩은 주요 업체의 내년도 스마트폰에 탑재될 예정이다.

◇스마트폰 통신의 마법사 '안테나'= 5G 상용화를 위해선 여러 혁신이 필요하다. 퀄컴은 통신사와 제조사 모두가 필요한 핵심 모뎀과 모바일 프로세서를 하나의 칩셋으로 제공하는 원칩 솔루션을 보유하고 있다. 특히 이미 중저가 스마트폰을 비롯해 대다수 프리미엄 스마트폰에 퀄컴칩이 내장돼 있다.

5G 시대에는 지금까지 사용하지 못했던 고주파 대역을 넘나드는 밀리미터파(mmWave)와 같은 첨단 기술을 무선통신으로 제공하는 매우 복잡한 작업이 요구된다. 상호작용하는 다수의 부품 사이의 종속성과 상호 관계를 파악하는 것은 매우 중요하다. 스마트폰에는 셀룰러, 와이파이, 블루투스, NFC 등 다양한 무선 기술이 여러 주파수에서 동작하도록 돼 있다. 또 스마트폰은 아주 얇은 형태의 폼팩터(form factor)를 가져야 하기 때문에 금속 소재의 내부에는 수 백 개의 부품이 집적돼 잠재적인 간섭 현상도 나타날 수 있다.

무선주파수 설계 엔지니어들은 안테나 설계는 전자기학, 수학, 회로 설계, PCB 레이아웃 설계, 패키징, 기구 설계, 프로그래밍 등 다양한 분야에 걸쳐 깊은 이해가 필요하다는 반응이다. 퀄컴은 "한 두 개 정도의 시제품만 만들 시간밖에 주어지지 않는 촉박한 개발 일정 속에서 만약 안테나 설계에서 잘못된 결정을 내린다면, 제품 출시가 몇 주 혹은 몇 달까지도 지연돼 큰 손실을 가져올 수 있다"고 지적했다.

◇밀리미터파가 제시하는 새 패러다임= 5G는 밀리미터파 (mmWave) 활용의 새로운 장을 열었다. 모바일 기기, 산업인터넷, 의료 및 자동차 등의 분야에서 무선 통신 설계의 새로운 패러다임을 제시한 밀리미터파의 장점은 6㎓ 이하 주파수(sub-6㎓) 대비 대역폭이 넓은 특성 덕분에 초고속, 초저지연, 그리고 대용량 통신 성능을 구현하는 게 가능해졌다.

5G의 장점을 최대한 살리기 위해서는 스마트폰에 6㎓ 이하 대역과 밀리미터파 대역을 지원하는 안테나 시스템이 모두 필요하다. 무엇보다 안테나 설계 측면에서, 6㎓ 이하 무선 기술은 이전의 3G나 4G에 사용됐던 기술과 유사하지만 밀리미터파는 완전히 새로운 기술이기 때문에 다른 안테나 설계 전략이 요구된다.

밀리미터파의 경우 다수의 방사 소자가 긴밀하게 결합된, 빔폭이 좁고 (narrow-beam) 높은 이득(high-gain)을 갖는 안테나 시스템이 필요하다. 또한 이를 여러 이동통신사에서 요구하는 엄격한 성능 조건을 충족시키면서 두 기술을 통합해야 한다. 실제로 지금까지 밀리미터파는 수많은 기술 및 설계 문제로 인해 모바일 통신에 사용되지 못했다. 그러나 퀄컴은 스마트폰에 밀리미터파의 적용 가능성을 제시했다. 지난 7월 퀄컴은 스마트폰 및 모바일 단말기를 지원하는 5G NR 밀리미터파 및 6GHz 이하 대역 주파수 RF 모듈을 세계 최초로 발표했다. 퀄컴 QTM052 mmWave 모듈 제품군과 QPM56xx Sub-6㎓ RF 모듈 제품군은 최적화된 설계로 모바일 단말기에 탑재돼 퀄컴 스냅드래곤 X50 5G 모뎀과 다양한 스펙트럼 대역에서 모뎀 부터 안테나(modem-to-antenna) 까지 기능을 제공할 수 있다.

퀄컴은 "이러한 기능을 통합해 최대 4개의 모듈을 스마트폰에 탑재할 수 있다"면서 "이를 통해 제조사들은 mmWave 5G NR이 제공하는 초고속 통신의 이점을 가진 단말기를 발전시켜, 이르면 2019년 해당 모듈을 탑재한 단말기를 출시하게 될 것"으로 전망했다. 심화영기자 dorothy@

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