[학술] 기지국 시스템의 진화 및 전력 증폭기
[학술] 기지국 시스템의 진화 및 전력 증폭기
  • 문정환 / 전자 박사과정
  • 승인 2011.09.06 18:07
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무선 통신의 숨은 공로자

   효율과 선형성, 전력 증폭기의 필수 요소
   스마트폰 보급과 함께 기지국 수요 급증

[그림 1] 랙 타입의 기지국

[그림 2] RRH 타입의 기지국
 이제는 길가에서 걸어 다니면서 전화기로 여자 친구와 전화하는 모습이 어색하지 않다. 여행을 다니는 여행자의 손에 지도 아닌 핸드폰도 마찬가지다. 이 뿐만 아니다. 지하철 안 많은 승객들은 핸드폰을 통해 신문 기사와 날씨 정보를 검색하고 환승해야 할 지하철의 도착 정보를 확인한다. 이러한 모든 일들을 가능케 하는 것이 무선 통신이고, 이 밑바탕에는 기지국이 있다.

 기지국은 일반 사람들에게 생소한 단어일 것이다. 하지만, 우리 주변 곳곳에 배치되어 우리도 모르게 사용하고 있는 것이 기지국이라면 믿어지겠는가? 핸드폰을 통해 무선으로 전화를 하고 웹서핑을 하며 친구에게 문자를 보내는 등의 모든 일은 기지국이 없다면 불가능 한 일이다. 예를 들어보자. 내가 내 옆의 친구에게 전화를 걸고자 한다. 그럼 내 핸드폰의 안테나를 통해 바로 내 친구의 핸드폰에 바로 신호를 전송하는 것일까? 아니다. 내 핸드폰의 안테나를 통해 신호는 중계기를 거치게 되고 이는 다시 기지국으로 가게 된다. 기지국은 내 친구의 핸드폰 번호를 확인하고 다시 중계기로 보내게 되며, 중계기는 다시 내 친구의 핸드폰으로 신호를 전송하여 내 친구가 전화를 받을 수 있는 것이다. 즉, 기지국이란 KT, LGT, SKT와 같은 이동통신 사업자들이 사용자에게 앞서 설명한 서비스들을 제공하기 위한 매개체인 것이다. 이러한 기지국과 중계기는 우리 주변에서 흔히 볼 수 있다. 높은 건물의 옥상 지하철, 산과 같은 곳에 산재해 있다.

 무선 통신에서 사용되는 하드웨어는 크게 송신기와 수신기로 구성된다. 이는 우리가 사용하는 핸드폰뿐만 아니라 기지국도 같은 구성을 지닌다. 송신기는 신호를 내보내는 장치이고, 수신기는 신호를 받아들이는 장치이다. 예를 들어, 친구에게 전화를 할 때, 내가 하는 말은 핸드폰 송신기를 통해 친구에게 전달하며, 친구는 수신기를 통해 내 말을 들을 수 있는 것이다. 무선 통신 신호는 공기 중으로 신호를 전달하기 때문에 신호 전달 과정에서 신호의 세기가 약해진다. 따라서 통신이 불가능해 지며, 이를 방지하기 위해 송신기의 가장 마지막에 위치하여 신호가 먼 지역까지 전달될 수 있도록 신호의 크기를 증폭시켜 주는 것이 전력 증폭기이다. 전력 증폭기는 송신기를 구성하는 구성품 중 전력 소모가 가장 많은 품목으로, 핸드폰뿐만 아니라 기지국 내에서도 가장 활발히 연구되고 있는 분야이기도 하다. 전력 증폭기의 성능은 효율과 선형성으로 나타낸다. 효율은 소모 전력과 출력 전력의 비를 나타낸 것으로, 효율이 100%라 함은 전력 증폭기에서 소모하는 전력이 모두 신호를 전달하기 위한 출력 전력으로 변환 된다는 것이다. 대부분의 통신 방식에서는 출력 전력이 특정 값 이상이 되도록 규정되어 있다. 따라서, 효율이 나쁜 전력 증폭기는 같은 출력 전력을 만들어 낼 때 효율이 좋은 전력 증폭기에 비해 더 많은 소모 전력이 요구된다. 우리가 느낄 수 있는 효율 좋은 전력 증폭기는 휴대폰 배터리가 오래 가는 것을 통해 확인 해 볼 수 있다.

 그럼 선형성이란 무엇일까? 가끔 전화 통화를 하다 보면 이상한 잡음 등으로 상대방이 말하는 내용을 알아듣지 못하는 경우가 발생한다. 이는 신호의 선형성이 좋지 않기 때문에 발생하는 현상이다. 비선형적인 전력 증폭기의 경우 신호를 증폭할 때 입력된 신호를 깨끗이 증폭시키지 않고 잡음도 함께 섞이게 만들어 신호의 구별을 어렵게 만든다. 또한, 다른 사람들의 통신에도 방해를 일으키기 때문에 효율뿐만 아니라 선형성도 전력 증폭기의 중요한 지표이다. 따라서, 전력 증폭기 설계자들은 전력 증폭기의 효율 및 선형성을 향상시키기 위해 많은 노력을 하고 있다. 하지만, 일반적으로 선형성과 효율은 상반 관계를 갖는다. 즉, 효율 높은 전력 증폭기는 선형성이 나쁘고, 선형성이 좋은 전력 증폭기는 효율이 낮은 특성을 갖는다. 이와 같이, 전력 증폭기는 무선 통신기기의 배터리 사용 시간 및 통화 품질에 큰 영향을 미치는 구성 요소라 할 수 있다. 전력 증폭기의 기술 개발 동향은 기지국의 형태에 따라 달라진다.

 기존의 기지국의 형태는 [그림 1]과 같은 랙 타입(Rack-Type)의 형태를 지녔다. 책장을 생각해 보자. 책을 책장에 가지런히 정리하여 꽂아놓듯 랙 타입의 기지국은 기지국을 구성하는 요소(제어부 및 무선부)를 랙이라는 선반에 꽂아서 기지국이 구성된다. 이러한 랙 타입의 기지국은 높은 건물의 건물 내에 위치되어 있고, 전력 증폭기를 이용하여 신호를 증폭 시킨 후 동축 케이블을 통하여 건물 옥상에 위치한 안테나로 신호를 전달하게 된다. 이러한 과정에서 동축 케이블에 존재하는 손실로 인하여 증폭된 신호의 크기는 작아지게 된다. 하지만 통신 사업자들은 안테나에서 출력되는 출력 신호의 크기, 정확히 말하면 출력 전력을 정해놓고 있기 때문에 랙 타입의 기지국은 이러한 동축 케이블의 손실을 고려하여 출력 신호를 만들어야 한다. 일반적으로 동축 케이블의 손실로 인하여 절반에 가깝게 출력 전력이 감소한다. 따라서, 기지국 내의 전력 증폭기는 원하는 출력 전력의 크기에 2배에 가깝게 증폭기를 제작해야 한다. 이는 큰 전력 증폭 소자를 요구하여 기지국 전력 증폭기의 단가를 높이게 되고, 전력 증폭기의 크기가 커질수록 필요한 소모 전력이 증가하기 때문에 전기 사용량이 늘어나게 된다. 일반적으로, 기지국의 경우 휴대용 단말기와 달리 배터리 사용에 큰 제약이 없기 때문에 전력 증폭기의 경우 효율 보다는 고선형성의 성능을 요구하게 된다. 이러한 이유로 기지국의 전기 사용량은 더욱 증가한다. 또한, 랙 타입 기지국의 경우 제어부와 무선부를 동시에 설치해야 하기 때문에 설치비용이 크다.

 최근 스마트폰의 보급이 확대되면서 무선 데이터 사용량이 급증하고 있다. 즉, 동시에 접속하는 사용자의 수가 증가한 만큼 더 많은 기지국의 설치가 요구되고 있는 실정이다. 랙 타입 기지국의 경우 증가된 사용자의 수를 대응하기 위해 기지국 설비 증가 시 가격 부담이 상당하다. 최근 이슈가 되고 있는 기지국 형태가 [그림 2]에 나타난 원격 무선 장비 (Remote Radio Head, 이하 RRH) 타입의 기지국이다. 기존의 랙 타입의 기지국이 제어부와 무선부를 동시에 가지고 있는 기지국이라면 RRH 타입의 기지국은 분리한 기지국 형태이다. 즉 전력 증폭기를 포함한 무선부를 안테나에 직접 장착시키고 제어부와 무선부 사이의 연결은 광케이블을 이용함으로써 소형화된 기지국 형태를 지닌다. 안테나와 전력 증폭기 사이의 동축 케이블 손실을 제거함으로써 기지국 전력 증폭기의 크기를 줄일 수 있어서 전력 증폭기 가격 면에서도 유리한 특성을 지니게 되며, 기지국 증설에 있어서도 기존의 랙 타입의 경우 제어부와 무선부를 모두 설치해야 하는 부담이 있던 반면 RRH 타입의 기지국은 무선부의 증설만이 요구되기 때문에 설치비용도 절감할 수 있다. 하지만 안테나와 직접 연결을 해야 하기 때문에 무선부의 무게가 무겁게 되면 안테나가 무너질 수도 있는 위험성이 존재하게 때문에 무선부의 경량화가 필요하다. 또한, 랙 타입의 경우 냉각 시스템의 상용으로 전력 증폭기의 동작 온도를 낮게 유지함으로써 안정된 동작을 시키는 반면 RRH의 경우 경량화를 위해 특별한 냉각 시스템을 사용하지 않고 자연풍으로 냉각을 시키게 된다. 이는 기지국 설치비용을 줄일 수 있다는 점에서 이득이겠지만 전력 증폭기의 동작 온도가 높아지기 때문에 불안정한 동작 가능성을 갖고 있게 된다. 따라서, 최근 기지국 전력 증폭기를 위해서는 고선형성 특성을 유지하면서 효율을 향상시키려는 노력이 계속 되고 있다.


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