무선 기술은 전 세계 어디에서나 연결되는 유비쿼터스 연결성을 실현하기 위해 빠르게 발전하고 있습니다. 이 백서에서는 무선 연결성의 최신 동향 및 설계 과제를 살펴보고, 무선 엔지니어가 MATLAB® 및 Simulink®를 사용해 최신 무선망을 설계하고 모델링하며 시뮬레이션하고 테스트하는 방법도 함께 알아볼 수 있습니다.
무선 통신은 고속 인터넷 연결, 휴대전화 통화 및 스마트 공장에서의 IoT(사물 인터넷) 연결을 가능하게 합니다. 이 유비쿼터스 연결성은 글로벌 광역 통신망(위성 링크), 셀룰러 광역 통신망(5G 및 5G Advanced), 근거리 Wi-Fi® 통신망, 및 Bluetooth® 및 ZigBee®와 같은 개인 통신망을 비롯한 다양한 무선 기술 덕분에 가능해졌습니다.
그림 1. 유비쿼터스 연결성은 무선 통신이 지향하는 목표로, 서로 다른 무선망 유형이 함께 작동함으로써 구현됩니다.
MATLAB과 무선 통신 툴박스는 무선 연결 시스템의 설계, 모델링, 시뮬레이션, 테스트, 검증 및 프로토타이핑을 지원합니다. 무선 엔지니어들은 이들 제품을 사용해 표준 기반 파형을 생성하고 분석하며, 링크 수준 성능을 측정하며, 표준 적합성을 검증하기 위한 골든 레퍼런스 모델을 생성할 수 있습니다. 개발 워크플로에는 관련 SDR(소프트웨어 정의 라디오) 플랫폼과 함께 MATLAB 또는 HDL에서 트랜시버 알고리즘을 프로토타이핑하는 작업이 포함됩니다. 엔지니어들은 상호 간섭 가능성이 있는 여러 무선 시스템 간의 공존을 시뮬레이션하고 분석할 수도 있습니다. 이러한 툴박스 기능은 완전히 사용자 정의가 가능하여 팀들은 이를 활용해 구현을 가속화하고 최신 위성, 5G, WLAN 및 Bluetooth 기술을 살펴볼 수 있습니다.
이후 섹션에서는 다양한 유비쿼터스 연결성 기술을 중심으로, 이러한 네트워크의 모델링, 시뮬레이션, 분석, 설계 및 테스트를 지원하는 관련 표준, 기술적 과제 및 활용 가능한 리소스를 함께 살펴볼 것입니다.
셀룰러 연결성 (5G에서 5G Advanced를 지나 6G까지)
셀룰러 이동통신의 표준 기관은 3GPP(3rd Generation Partnership Project)입니다. 3GPP는 21세기 초부터 3G, 4G(LTE), 5G 및 5G Advanced 시스템과 네트워크의 표준화를 담당해 왔습니다. 최근 3GPP는 차세대 이동통신 시스템인 6G에 대한 표준화 작업에도 본격적으로 착수했습니다.
지상 기반 위상 배열의 방사 패턴.
5G NR은 다음 세 가지 활용 사례를 지원하도록 설계되었습니다.
- 향상된 모바일 광대역: 이전 세대(LTE)와 비교해 훨씬 더 높은 데이터 속도와 네트워크 용량 제공
- 초고신뢰 저지연 통신: 원격의료, 스마트 시티, 스마트 공장 등 안전 필수 응용 분야에 필수적인 실시간 응답성 및 신뢰성 제공에 집중
- 대규모 사물 통신: 수백만 대의 기기가 연결된 대규모 IoT 구축 가능
5G Advanced는 5G가 제공하는 활용 사례를 넘어 다음과 같은 활용 사례를 포함합니다.
- 유비쿼터스 연결성: 위성 네트워크와의 통합을 통해 전 세계적인 커버리지를 제공하며, 위성과 고고도 플랫폼을 사용해 5G 커버리지를 외딴 지역과 농촌 지역, 해양 및 공역까지 확장합니다.
- ISAC (통합 센싱 및 통신) 네트워크는 동시에 통신하고 환경을 감지할 수 있어 고정밀 위치추정 및 추적 기능을 제공합니다.
- AI(인공 지능) 및 머신러닝 통합: AI와 머신러닝이 무선망 전반에 내장되어 동적 자원 할당, 예측 최적화 및 실시간 적응성을 가능하게 하여 무선망의 효율성이 더욱 향상됩니다.
현재 개발 중인 6G 시스템은 5G Advanced의 기능을 확장할 것입니다. ITU는 통합 AI 및 통신, ISAC, NTN(비지상망)을 통한 유비쿼터스 커버리지, 친환경 에너지 효율 네트워크 설계와 같은 기술을 포함한 차세대 6G 시스템을 위한 IMT-2030 문서를 작업하고 있습니다.
스포트라이트: 5G Toolbox
3GPP의 각 릴리스에 따라 업데이트되는 표준 기반 파형을 활용해 5G NR 링크 및 시스템을 시뮬레이션할 수 있습니다. 파형을 생성하고, 시스템 수준 시뮬레이션, 적합성 시험 및 기타 작업을 모두 MATLAB에서 수행할 수 있습니다.
5G Toolbox는 AI 기반 무선 최적화 기술을 지원하며, 차세대 후보 기술의 프로토타이핑을 위한 6G Exploration Library를 포함하고 있습니다.
효율적인 5G Advanced 및 6G 시스템과 네트워크를 개발하는 일은 매우 어려우며, 새로운 활용 사례를 구현하려면 엄격한 설계 요구사항을 충족해야 합니다. MATLAB 그리고 5G Toolbox™와 같은 표준 기반 툴을 사용해 링크 수준과 시스템 수준에서 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다. 5G Toolbox는 매 3GPP 릴리스의 5G 표준 업데이트 내용을 지속적으로 반영하므로, 설계 검증 및 표준 적합성 시험 작업을 보다 수월하게 수행할 수 있습니다.
"6G는 채널 추정 및 등화와 같은 신호 처리 체인의 전체 블록을 훈련된 머신러닝 모델로 대체하는 방안을 모색하고 있습니다."
네이티브 AI 및 머신러닝 통합:
- 물리 계층(PHY) 설계는 채널 추정, 빔 관리 및 네트워크 최적화와 같은 영역에서 성능을 향상시키기 위해 인공지능과 머신러닝을 수용해야 합니다. 5G가 주로 최적화를 위해 AI를 사용하는 것과 달리, 6G는 채널 추정 및 등화와 같은 신호 처리 체인의 전체 블록을 훈련된 머신러닝 모델로 대체하는 방안을 모색하고 있습니다. 이 접근법은 완전한 AI 네이티브 물리 계층(PHY)을 구축하는 것을 목표로 합니다.
- 다음 MATLAB 예제를 통해 이러한 개념을 더 자세히 살펴볼 수 있습니다.
향상된 셀프리 대규모 MIMO:
- 보다 고도화된 대규모 MIMO 시스템을 설계하려면 더 큰 안테나 배열과 더 복잡한 빔포밍 알고리즘을 관리해야 합니다. 이에 따라 PHY는 고차원 안테나 구성에서 발생하는 증가된 처리 및 신호 관련 오버헤드를 처리할 수 있어야 합니다. 또 다른 흥미로운 개발 분야는 6G 시스템을 위해 제안된 셀프리(cell-free) 아키텍처로, 사용자들이 여러 분산된 액세스 포인트에 동시에 연결되는 방식입니다.
- 다음 MATLAB 예제를 통해 이러한 개념을 더 자세히 살펴볼 수 있습니다.
ISAC:
- ISAC 시스템에서는 PHY가 통신과 정확한 감지 기능을 동시에 지원해야 합니다. 이는 두 기능이 동일한 파형을 사용하고, 동일한 주파수에서 동작하며, 동일한 하드웨어를 사용하면서도 성능 저하 없이 수행되어야 함을 의미합니다. ISAC는 6G 시스템의 핵심 요소가 될 것으로 전망되며, 센티미터 수준의 위치 측정 정확도와 고해상도 환경 감지를 달성하는 것을 목표로 합니다.
- 다음 MATLAB 예제를 통해 이러한 개념을 더 자세히 살펴볼 수 있습니다.
"현재 지구 궤도에는 TV 및 라디오 방송, 내비게이션, 원격 측정, 영상 촬영, 원격탐사 등 다양한 응용 분야를 지원하는 8,000기 이상의 통신 위성이 운용되고 있으며, 그 수는 계속 증가하고 있습니다."
위성 통신, 특히 NTN은 유비쿼터스 연결성을 위한 중요한 기반 기술로 부상하고 있습니다. 현재 지구 궤도에는 TV 및 라디오 방송, 내비게이션, 원격 측정, 영상 촬영, 원격탐사 등 다양한 응용 분야를 지원하는 8,000기 이상의 통신 위성이 운용되고 있으며, 그 수는 계속 증가하고 있습니다. 통신 위성은 일반적으로 GEO(정지궤도), MEO(지구 중궤도), LEO(지구 저궤도)의 세 가지 궤도 유형 중 하나로 분류됩니다.
무선 연결을 위한 LEO 위성군의 활용은 최근 부상하고 있는 추세입니다. 160~1,000km 고도에 위치한 이런 시스템들은 지구 어디에서나 고속 인터넷 연결을 제공하는 것을 목표로 하고 있습니다. 예를 들어, Starlink 시스템은 이미 수천 기의 위성을 궤도에 올려놓았으며, 앞으로도 수천 기를 추가로 발사할 계획입니다.
스포트라이트: Satellite Communications Toolbox
MathWorks의 Satellite Communications Toolbox는 위성 통신 시스템을 설계하고 시뮬레이션하며 검증하기 위한 툴을 제공하며, 궤도 전파, 링크 버짓 분석 및 DVB-S2/S2X/RCS2, GPS, Galileo, NavIC, CCSDS와 같은 표준에 대한 파형 생성을 폭넓게 지원합니다.
위성 통신 시스템을 구축하고 배포하는 작업은 복잡하고 비용이 많이 들며 위험이 큽니다. 발사 및 배치, 보안 및 복원력, 경제 및 비즈니스 모델, 환경적 영향 등 여러 측면에서 핵심적인 과제가 존재합니다. 다음 섹션에서는 통신에 특화된 문제점들과 그 해결 방안을 제시하는 관련 MATLAB 예제를 함께 소개합니다.
과제: 임무 계획 및 규제 준수
- ITU 및 국가 규제 기관을 통한 궤도 슬롯 및 주파수 확보
- 기존 시스템과의 간섭을 피하기 위한 조정
MATLAB 예제:
과제: 기술 설계 및 통합
- 강우 감쇠 및 섬광 감쇠 등 신호 강도를 저하시킬 수 있는 다양한 대기 조건에서도 링크 버짓을 충족해야 함
- 안테나는 크기, 무게 및 전력에 대한 제약을 충족하면서 높은 이득과 정밀한 빔포밍을 제공해야 함
- 페이로드 복잡성 (예: 디지털 프로세서, 재생형 및 벤트파이프 아키텍처)
- 대규모 위성군의 위성 간 링크 및 타이밍/동기화
MATLAB 예제:
과제: 열악한 환경에서의 성능
- 고주파 대역(Ka, Q/V)에서의 대기 감쇠로 인한 성능 저하와 이에 대응하기 위한 적응형 부호화/변조, 업링크 전력 제어 및 사이트 다이버시티의 필요성
- 궤도 선택(LEO/MEO/GEO)에 따른 지연 시간 제약과 그에 따른 트레이드오프
- LEO 네트워크에서의 도플러 효과와 빈번한 핸드오버로 인해, 연속적인 연결을 유지하기 위해 빔 호핑과 자원 스케줄링이 필수적임
MATLAB 예제:
그림 2. LEO NTN 위성군은 위성 간 라우팅 기능을 갖추고 있습니다.
Wi-Fi는 전 세계에서 가장 널리 사용되는 무선 기술입니다. Wi-Fi 네트워크는 가정, 직장, 그리고 이동 중(공항, 경기장 및 기타 공공 장소)에도 인터넷 연결을 제공합니다. Wi-Fi 네트워크는 IEEE 802.11 계열 표준을 기반으로 사용자 기기를 AP(액세스 포인트) 라우터에 연결하는 방식으로 동작합니다. 이 WLAN(무선 근거리 통신망) 표준은 OSI 모델의 PHY 및 MAC(매체 접근 제어) 계층을 모두 규정합니다.
Wi-Fi 8(802.11bn)은 제조 또는 로봇 보조 수술과 같은 분야에서 신뢰성을 높이기 위해 설계되었습니다. Wi-Fi 7(802.11be)은 더 높은 속도를 제공하며 더 넓은 주파수 대역폭을 사용합니다.
Wi-Fi 6, 7, 및 8은 신뢰성과 고속 인터넷 연결을 목표로 설계된 최신 WLAN 기술입니다.
- Wi-Fi 6(802.11ax)은 OFDMA 및 MU-MIMO와 같은 다중 접속 기술을 활용하여 밀집된 환경에서 우수한 성능을 제공합니다.
- Wi-Fi 7(802.11be)은 더 높은 속도를 위해 설계되었으며, 최대 320 MHz의 더 넓은 주파수 대역폭을 사용하여 최대 46 Gbps의 최고 전송 속도를 제공합니다.
- 현재 개발 중인 Wi-Fi 8(IEEE 802.11bn)은 초고신뢰성, 저지연 및 일관된 성능 제공을 우선적으로 고려하고 있습니다.
효율적인 Wi-Fi 시스템 및 네트워크를 개발하는 데에는 신뢰성 확보, 혼잡 처리, 그리고 다른 네트워크와의 공존에 대한 다양한 과제와 요구사항을 해결해야 합니다. 엔지니어들은 MATLAB을 사용해 이러한 어려운 시나리오를 시뮬레이션하고, 다양한 완화 설계 공간을 탐색할 수 있습니다.
MATLAB 예제:
과제: Bluetooth-Wi-Fi 공존
2.4 GHz 주파수 대역의 Bluetooth 기기와 6 GHz 대역의 BLE(Bluetooth Low Energy) 기기는 Wi-Fi 네트워크에 간섭을 일으킬 수 있습니다. Bluetooth와 WLAN 간의 간섭은 비협력적 및 협력적 공존 메커니즘을 통해 완화할 수 있습니다.
- 비협력적 공존 메커니즘은 두 무선망 간에 정보를 교환하지 않습니다.
- 협력적 공존 메커니즘은 두 무선망 간에 협력하고 네트워크 관련 정보를 교환합니다.
MATLAB 예제:
과제: 혼잡한 환경에서의 성능 개선
경기장 및 컨퍼런스 센터와 같은 밀집된 환경에서는 많은 기기들이 동시에 Wi-Fi 네트워크에 접속합니다. 이로 인해 전체 네트워크 용량이 감소하고, AP(액세스 포인트)의 자원 할당이 과부하 상태에 이를 수 있습니다. Wi-Fi 6, 7 및 8은 더 많은 사용자와 기기가 밀집된 환경에서 성능을 개선시키기 위해 셀룰러 이동통신 기술에서 차용한 여러 기법을 적용합니다.
- OFDMA (직교 주파수 분할 다중 접속): 하나의 채널을 더 작은 부채널로 나누어 여러 기기에 동시에 서비스를 제공
- MU-MIMO (다중 사용자 다중 입출력): 동시에 동일한 주파수 자원에서 AP가 여러 기기와 데이터 송수신
- 업링크 트리거 기반 형식: 업링크 트래픽을 기존 Wi-Fi의 비조정, 경쟁 기반 시스템에서 정밀하게 조율된 스케줄링 시스템으로 전환
- QoS (서비스 품질): QoS 설정을 활용해 음성 및 화상 회의와 같은 중요 애플리케이션 우선시
- BSS(기본 서비스 세트) 컬러링을 통한 공간 재사용
MATLAB 예제:
과제: 동일 채널 간섭
여러 Wi-Fi 스테이션이 동일한 주파수에서 전송하면 동일 채널 간섭이 발생할 수 있으며, 이는 패킷 충돌과 처리량 감소를 초래합니다. 무선 엔지니어는 다음과 같은 기법을 적용해 간섭을 줄일 수 있습니다.
- 각 기기에 대해 조정된 스케줄링을 제공하는 트리거 기반 업링크 전송
- 필요한 곳에 Wi-Fi 신호를 집중시키는 지향성 안테나(MU-MIMO)
- 채널 대역폭 축소
- 2.4 GHz 대역에서 겹치지 않는 채널을 위한 채널 계획
MATLAB 예제:
기타 Wi-Fi 기능:
Wi-Fi 센싱
AI와 통합
메시 네트워크의 도입
MATLAB 및 Simulink를 활용한 무선 공학 가속화
MathWorks는 공학 및 과학 발전의 가속화라는 사명을 가집니다. MATLAB 및 Simulink는 모델링, 시뮬레이션, 테스트, 구현 툴을 제공해 무선 통신 엔지니어는 무선 통신 설계를 더 빠르고 효율적으로 수행할 수 있습니다.
이 리포트에 언급된 모든 툴박스와 제품은 최신 산업 표준을 준수하도록 유지되고 있습니다. 여러분이 6G AI-네이티브 수신기를 프로토타이핑하든 Bluetooth 6 설계를 검증하든, MathWorks 제품은 개념 단계부터 실제 하드웨어 구현가지의 간극을 연결해 줍니다.
Bluetooth는 짧은 거리에서 기기 간에 데이터를 교환하기 위해 사용되는 근거리 무선 기술입니다. Bluetooth 표준은 Bluetooth SIG(Bluetooth Special Interest Group)에 의해 설계되었습니다. 2024년에 발표된 Bluetooth 6는 Bluetooth 노드 간의 거리를 매우 정확하게 추정할 수 있는 채널 사운딩과 같은 기술을 도입하였습니다.
Bluetooth/WLAN 공존의 스펙트럼 및 스펙트로그램.
Bluetooth Classic 표준은 BR(Basic Rate)과 EDR(Enhanced Data Rate)이라는 두 가지 PHY 모드를 정의합니다. 또한 BLE 표준은 의료, 피트니스, 보안 및 홈 엔터테인먼트와 같은 산업의 응용 분야에 중점을 두고 있습니다. 또한, Bluetooth 시스템은 삼각측량 및 삼변측량과 같은 기술을 사용해 위치추정을 수행할 수 있습니다.
다음 섹션에서는 Bluetooth 기기 및 네트워크를 배포할 때의 주요 과제들과 그 과제들을 해결하는 관련 MATLAB 예제를 함께 소개합니다.
과제: 무선 계획 및 공존
- 비면허 대역인 2.4GHz 대역은 Wi-Fi, 전자레인지, Zigbee 신호가 혼재되어 있어 간섭, 다중 경로 현상 및 듀티 사이클 경쟁이 발생합니다.
- AFH(적응형 주파수 도약) 기술이 이러한 문제를 완화하는 데 도움이 되지만, RF 환경이 매우 혼잡한 경우에는 여전히 처리량, 지연 시간 및 신뢰성이 저하될 수 있습니다.
- 인클로저나 인체 근접으로 인한 안테나 디튜닝은 통신 범위를 감소시킬 수 있으므로, 신중한 RF 레이아웃, 충분한 접지 간격 확보 및 정밀한 안테나 튜닝이 필수적입니다.
MATLAB 예제:
과제: 토폴로지, 확장성 및 성능
- Classic Bluetooth (BR/EDR) 피코넷은 동시에 유지할 수 있는 활성 연결 수가 제한적이며, ACL(비동기 연결 지향 논리 전송) 링크 스케줄링이 병목 요인으로 작용할 수 있습니다.
- 저전력(BLE) 연결 역시 게이트웨이나 스마트폰당 연결 가능한 수와 연결 간격 제약으로 인해 시스템의 확장성과 응답성이 제한됩니다.
- Bluetooth 메시 네트워크는 수천 개의 노드로 확장할 수 있지만, 관리형 플러딩 방식으로 인해 전송 시간 증가, 충돌 발생, 배터리 소모가 커질 수 있으므로 TTL(Time to Live), 릴레이, 프렌드/저전력 노드 설정을 신중하게 구성해야 합니다.
MATLAB 예제:
과제: 위치추정
- RSSI(수신 신호 강도 지표) 불안정성
- 안테나 배열에 대한 각도 기반 요구사항
- 크기, 위상 및 시간의 동기화 및 보정
- 간섭 및 채널 가용성
MATLAB 예제:
그림 3. Bluetooth 채널 사운딩은 자산 추적에 사용되며, 자산 경로와 블루투스 위치 표시기(파란색 및 노란색 삼각형)를 보여줍니다.
다음 섹션에서는 무선 시스템의 표준 기반 트랜시버 설계 시의 주요 과제들과 그 과제들을 해결하는 관련 MATLAB 예제를 함께 소개합니다.
비선형 증폭기의 AM/AM 특성.
무선 5G 파형 캡처에 대한 시간 및 주파수 영역 EVM 분석.
과제: 시스템 및 기기 상호운용성에 대한 표준 프로토콜 준수 보장
- 이는 알고리즘 설계자와 칩 테스터가 수신기 설계를 테스트하거나 수신기 칩을 자극하기 위해 손상된 파형과 손상되지 않은 파형 모두를 표준 기반으로 획득해야 할 수 있음을 요구할 수 있습니다.
- EVM(오류 벡터 크기), ACPR(인접 채널 전력비), PER(패킷 오류율)과 같은 수량에 대한 측정 테스트벤치도 필요할 수 있습니다.
MATLAB 예제:
과제: 알고리즘, 안테나 배열 및 RF 트랜시버 설계 선택을 통합한 시스템 파라미터 최적화
- 이는 배열 크기, 배열 소자 유형 및 소자 결합에 대한 상충관계 연구를 요하는데, 이는 빔 편이, HPA(고전력 증폭기) 비선형 한계, LNA(저잡음 증폭기) 잡음 지수 및 임피던스 불일치 수준으로 이어집니다.
- 이는 변조 방식과 오류 제어 코드에 대한 설계 선택을 요구할 수도 있습니다.
MATLAB 예제:
과제: 자동화된 무선 테스트, 현실적인 채널 및 손상 모델을 사용하여 하드웨어 프로토타입의 설계 검증
- 설계 초기 단계에서는 SDR과 같은 파형 캡처 소자와 수신기 알고리즘 프로토타입에 사용되는 소프트웨어 간의 연결성이 필요합니다.
- 설계의 후반 단계에서는 HDL(하드웨어 기술 언어) 코드를 FPGA(현장 프로그래머블 게이트 어레이)에 배포해야 할 수도 있습니다.
MATLAB 예제:
그림 4. 무선 표준, 안테나-비트 시뮬레이션, 그리고 소자 구현 및 테스트를 포괄하는 무선 워크플로의 단계.
세계가 5G Advanced에서 6G 및 그 이후로 유비쿼터스 연결성을 향해 나아감에 따라, 셀룰러, 위성, Wi-Fi 및 Bluetooth 기술의 융합이 통합된 글로벌 통신 생태계를 형성하고 있습니다. 이 백서에서는 이 분야를 정의하는 주요 기술, 표준 및 과제를 탐구하였으며, MATLAB 및 Simulink가 이러한 복잡한 무선 시스템을 설계하고 시뮬레이션하며 검증하는 데 필수적인 제품임을 시연해 보았습니다.
