4G 및 5G 기지국 안테나 엔지니어링 지식 및 응용 시나리오

1 기지국 안테나 개요

이 장에서는 기지국 안테나의 분류와 이동통신에서 사용되는 다양한 유형의 안테나에 대해 소개합니다.

1.1 기지국 안테나 분류

전방향 안테나:수평 패턴에서는 360° 균일한 방사 형태로 나타나며, 이를 무지향성 안테나라고 합니다. 수직 패턴에서는 특정 폭을 가진 빔 형태로 나타납니다. 일반적으로 빔 폭이 작을수록 이득이 커집니다. 무지향성 안테나는 넓은 커버리지 영역을 필요로 하는 교외 및 군도 기반 기지국 유형의 이동 통신 시스템에서 주로 사용됩니다.

지향성 안테나:수평 방향으로는 특정 각도 범위 내에서 방사 형태로 나타나는데, 이를 지향성이라고 합니다. 수직 방향으로는 특정 폭을 가진 빔 형태로 나타납니다. 무지향성 안테나와 마찬가지로 빔 폭이 작을수록 이득이 커집니다. 지향성 안테나는 일반적으로 커버리지가 작고 사용자 밀도가 높으며 주파수 활용도가 높은 도심 지역의 이동통신 시스템에서 사용됩니다.

기지국은 네트워크 요구 사항에 따라 다양한 유형으로 구성되며, 각 유형의 기지국은 필요에 따라 다양한 유형의 안테나를 선택할 수 있습니다. 안테나 선택은 앞서 언급한 기술 매개변수를 기반으로 합니다. 예를 들어, 무지향성 기지국은 수평 방향 모두에서 이득이 거의 동일한 무지향성 안테나를 사용하는 반면, 지향성 기지국은 수평 방향에 따라 이득 변화가 큰 지향성 안테나를 사용합니다. 일반적으로 도심 지역에서는 수평 빔 폭이 65°인 안테나를 선택합니다. 교외 지역에서는 기지국 구성 및 지역 지리적 환경에 따라 65°, 90° 또는 120°의 수평 빔 폭을 가진 안테나를 선택할 수 있습니다. 농촌 지역에서는 넓은 지역을 커버할 수 있는 무지향성 안테나를 선택하는 것이 가장 경제적입니다.

기계식 안테나:기계식 안테나는 하향 경사각을 기계적으로 조절하는 이동식 안테나를 말합니다. 기계식 안테나를 지면에 수직으로 설치한 후, 네트워크 최적화가 필요한 경우 안테나 후면의 브래킷 위치를 조정하고 안테나의 경사각을 변경해야 합니다. 이러한 조정 과정에서 안테나의 주엽 방향 커버리지 거리는 크게 변하지만, 안테나의 수직 및 수평 성분 진폭은 변하지 않기 때문에 안테나 패턴이 쉽게 변형될 수 있습니다.

Practice proves:The optimal downtilt angle of the mechanical antenna is 1°-5°; when the downtilt angle changes between 5°-10°, its antenna pattern is slightly deformed but not much; when the downtilt angle changes between 10°-15°, its antenna pattern changes greatly; when the mechanical antenna changes After tilting down 15°, the shape of the antenna pattern changes greatly, from a pear shape without tilting to a spindle shape. At this time, although the coverage distance in the main lobe direction is significantly shortened, the entire antenna pattern is not within the sector of the base station. The base station's signal will also be received in the sectors of adjacent base stations, causing serious intra-system interference. In addition, during daily maintenance, if you want to adjust the downtilt angle of the mechanical antenna, the entire system must be shut down, and monitoring cannot be performed while adjusting the antenna inclination. Adjusting the downtilt angle of the mechanical antenna is very troublesome, and maintenance personnel generally need to climb to the place where the antenna is placed to make adjustments. The downtilt angle of the mechanical antenna is a theoretical value calculated through computer simulation analysis software, and there is a certain deviation from the actual best downtilt angle. The number of steps for adjusting the tilt angle of the mechanical antenna is 1°, and the third-order intermodulation index is -120dBc.

전자식으로 조절 가능한 안테나:전자식 다운틸트 조정 기능을 갖춘 이동 안테나를 의미합니다. 전자식 다운틸트의 원리는 동축 배열 안테나 발진기의 위상을 변경하고, 수직 성분과 수평 성분의 진폭을 변경하고, 합성 성분의 전계 강도를 변경하여 안테나의 수직 패턴을 아래쪽으로 기울이는 것입니다. 안테나의 모든 방향에서 전계 강도가 동시에 증가하고 감소하기 때문에, 틸트 각도 변경 후에도 안테나 패턴 변화가 최소화되어 주엽 방향의 커버리지 거리가 단축되고, 동시에 서비스 셀 섹터 내 전체 패턴의 커버리지 영역이 줄어들면서도 간섭을 발생시키지 않습니다. 실제 적용 결과, 전자식 다운틸트 조정 안테나의 다운틸트 각도가 1°에서 5°로 변할 때 안테나 패턴은 기계식 안테나와 거의 동일하며, 5°에서 10°로 변할 때는 기계식 안테나에 비해 약간 개선되고, 10°에서 15°로 변할 때는 기계식 안테나보다 훨씬 더 우수한 성능을 보이는 것으로 나타났습니다. 기계식 안테나를 15° 아래로 기울이면 안테나 패턴이 기존 기계식 안테나와 현저히 달라집니다. 이때 안테나 패턴의 형태는 크게 변하지 않지만, 주엽 방향의 커버리지 거리가 상당히 단축되고 전체 안테나 패턴이 기지국 섹터 내에 포함됩니다. 하향 경사각을 더 높이면 간섭 없이 섹터 커버리지 영역을 줄일 수 있습니다. 따라서 전자식 가변 안테나를 사용하면 통화 손실과 간섭을 줄일 수 있습니다. 또한 전자식 가변 안테나는 시스템 전원을 끄지 않고도 수직 지향성 패턴의 하향 경사각을 조정하고 조정 효과를 실시간으로 모니터링할 수 있습니다. 경사각 조정 단계의 정밀도도 높아(0.1°) 네트워크를 정밀하게 조정할 수 있습니다. 전자식 가변 안테나의 3차 상호변조 지수는 -150dBc로 기계식 안테나보다 30dBc 낮아 인접 채널 간섭 및 스퓨리어스 간섭 제거에 유리합니다.

이중 편파 안테나:이중 편파 안테나는 +45°와 -45°의 직교 편파 방향을 가진 두 개의 안테나를 결합하여 송수신 이중 모드로 동시에 동작하는 새로운 유형의 안테나 기술입니다. 따라서 가장 큰 장점은 단일 방향 기지국의 안테나 수를 절약할 수 있다는 것입니다. 일반적으로 LTE 디지털 이동 통신 네트워크의 방향 기지국(3개 섹터)은 9개의 안테나를 사용하며, 각 섹터는 3개의 안테나(공간 다이버시티, 송신용 1개, 수신용 2개)를 사용합니다. 이중 편파 안테나를 사용하면 각 섹터에 안테나가 1개만 필요합니다. 또한, 이중 편파 안테나는 +45°와 -45°의 직교 편파를 통해 안테나 간 상호 변조 차단 요구 사항(≥30dB)을 충족하므로, 이중 편파 안테나 간의 공간 거리는 20~30cm에 불과합니다. 뿐만 아니라, 이중 편파 안테나는 전기적으로 안테나 방향을 조절할 수 있다는 장점도 있습니다. 전기적으로 조절 가능한 안테나와 같은 이중 편파 안테나를 이동통신 네트워크에 사용하면 통화 손실과 간섭을 줄이고 네트워크 전체의 서비스 품질을 향상시킬 수 있습니다. 이중 편파 안테나는 설치 및 시공에 대한 요구 사항이 높지 않으므로 타워 건설을 위한 부지 확보가 필요하지 않습니다. 직경 20cm의 철제 기둥을 세우고 해당 커버리지 방향에 따라 이중 편파 안테나를 철제 기둥에 고정하기만 하면 됩니다. 이는 인프라 투자 비용을 절감하고 기지국 배치를 더욱 효율적으로 만들며 기지국 부지 선정 과정을 간소화합니다.

안테나 선정 시에는 네트워크 커버리지, 이용량, 간섭, 네트워크 서비스 품질 등 실제 상황을 고려하여 해당 지역의 이동통신망 요구사항에 맞는 이동통신 안테나를 선정해야 합니다.

· 기지국이 밀집된 교통량이 많은 지역에서는 이중 편파 안테나와 전기적으로 조정 가능한 안테나를 최대한 활용해야 합니다.

· 기존의 기계식 안테나는 교통량이 많지 않고, 기지국 밀집도가 낮으며, 통신 범위만 필요한 국경 지역이나 교외 지역과 같은 곳에서 사용할 수 있습니다.

1.2 이동통신 기지국 안테나의 내부 구조 및 종류

1.2.1 방향성 판 소자 배열 안테나

판형 지향성 안테나는 기지국에서 가장 흔하게 사용되는 매우 중요한 안테나 유형입니다. 이 안테나의 장점은 높은 이득, 우수한 섹터 패턴, 작은 후방 로브, 수직 패턴 하강각의 용이한 제어, 안정적인 밀폐 성능 및 긴 수명입니다. 안테나의 외형은 아래 그림과 같습니다.

그림 1-1 판형 지향성 안테나의 외형 개략도

1.2.1.1 고이득 판형 안테나 형성

그림 1-2. 여러 개의 반파 발진기를 사용하여 수직 선형 배열을 구성합니다.

그림 1-3. 반사판을 선형 배열의 한쪽에 추가하여 수평 방향을 구현하는 원리 (반사판이 있는 두 개의 반파 발진기로 이루어진 수직 배열을 예로 든다)

현재 안테나 제조업체들의 기지국 지향성 안테나 설계는 기본적으로 모두 판형 발진기 배열 구조를 채택하고 있습니다. 발진기에는 두 가지 유형이 있으며, 다음 두 절에서 설명합니다.

1.2.1.2 대칭 발진기

표준 반파장 대칭 배열 (발진기를 하나 더 추가하여 지면으로부터 발진기의 높이를 낮추고 안테나의 두께를 줄임)

그림 1-4. 다중 반파 발진기를 이용하여 합성한 방향성 판형 안테나

1.2.1.3 마이크로스트립 발진기

반파 발진기의 변형은 1/4 파장 전송선의 원리를 이용하여 방사를 형성합니다.

그림 1-5. 다중 마이크로스트립 발진기를 이용하여 합성한 방향성 판형 안테나

1.2.2 무지향성 직렬 급전 다이폴 안테나

무지향성 안테나는 여러 개의 반파 발진기를 사용하여 방사 이득을 합성하고 향상시킵니다.

그림 1-7 직렬 급전 발진기 구조 및 무지향성 안테나의 제품 형태

2 4G LTE안테나 종류 및 비교 분석

이 섹션의 주요 내용은 LTE 이중 편파 안테나와 단일 편파 안테나 간의 커버리지 및 트래픽 비교 분석을 소개하는 것입니다.

2.1 LTE 이중 편파 안테나와 단일 편파 안테나 간의 상관관계 분석

LTE 다중 안테나 기술의 도입은 무선 자원에 공간적 자유도를 부여하고 무선 채널 모델에 대한 새로운 요구 사항을 제시합니다. 공간 채널 모델(SCM)은 3GPP 기술 보고서 ​​TR 25.996에서 제안되었습니다. 이 모델은 대역폭 5MHz, 반송파 주파수 약 2GHz의 시스템에 적합하며 최대 다중경로 수는 6개입니다. LTE 시스템은 무선 채널이 최대 20MHz를 지원해야 하므로, 채널 대역폭을 20MHz로 확장하고 최대 다중경로 수를 9개까지 지원하기 위해 SCME(SCM 확장) 모델이 기술 보고서 ​​36.803에서 사용되었습니다. 이 중 eNB와 UE 간의 무선 전송 특성은 아래 그림과 같이 안테나 구성, 안테나 방향각, 안테나 상관관계 및 산란 환경의 변화에 ​​따라 변하는 시간 가변 함수입니다.

그림 2-1 SCM 각도 매개변수의 개략도

이중 편파 안테나와 단일 편파 안테나(안테나 간격 10λ) 간의 무선 성능 차이는 주로 기지국 안테나의 상관계수에 따라 달라집니다. 상관계수가 0이면 안테나들이 상대적으로 독립적이고 상관관계가 낮다는 것을 의미합니다. 상관계수가 1이면 안테나들 간에 강한 상관관계가 있다는 것을 의미합니다. 송신 다이버시티 모드(예: SFBC), 수신 다이버시티, MIMO 듀얼 스트림 모드를 사용하는 시스템에서는 상관계수가 낮은 안테나의 무선 성능이 상관계수가 높은 안테나보다 우수합니다. 아래 그림은 상관계수가 각각 0.25, 0.5, 0.6, 1일 때의 SFBC 성능 시뮬레이션 결과입니다. 시뮬레이션 결과에서 상관계수가 0.25일 때는 성능에 큰 변화가 없습니다(상관계수 0과 비교). 상관계수가 0.5와 0.6일 때는 SFBC 성능이 약 0.3dB에서 0.4dB 정도 저하됩니다.

그림 2-2. 서로 다른 상관 계수를 사용한 SFBC 링크 수준 성능 비교

차이나 모바일은 2008년 7월에 다양한 안테나 구성에 대한 상관 계수를 테스트했습니다. 구체적인 상관 계수는 아래 표에 나와 있습니다.

표 2-1 서로 다른 안테나 구성에 따른 상관 계수

참고: 위 표의 상관계수는 차이나 모바일이 도심 밀집 지역에서 SCME 모델 테스트를 통해 얻은 결과입니다. 도심 밀집 지역에서는 이 상관계수가 어느 정도 대표성을 가지지만, 특정 프로젝트에 그대로 적용될 수 있거나 모든 도심 밀집 지역 모델에 적용 가능하다는 것을 의미하지는 않습니다.

2.2 LTE 이중 편파 안테나와 단일 편파 안테나의 성능 비교

LTE는 송신 다이버시티, 프리코딩 기반 MIMO, 빔포밍 등을 포함한 7가지 다중 안테나 전송 모드를 정의합니다. LTE에서 정의한 7가지 전송 모드는 주로 다양한 시나리오와 채널 모델에서 전송 모드를 유연하게 선택할 수 있도록 고려한 것입니다. 일반적으로 무선 이동 통신 네트워크 성능의 병목 현상과 단점은 다음과 같은 세 가지 범주로 나뉩니다.

전력 제약 시스템:

일반적인 적용 시나리오: 주된 목적은 커버리지를 확대하고 신호 감쇠 현상을 극복하는 것으로, 효과적인 영역 확보, 농촌 지역의 광범위한 커버리지 제공 등이 있습니다.

사용된 안테나 기술 유형: 송신 다이버시티, 수신 다이버시티

성능 차이: 10λ 단일 편파 안테나의 성능 향상은 이중 편파 안테나에 비해 5% 미만이며, 두 안테나 간의 성능 차이는 크지 않습니다.

간섭 제한 시스템:

일반적인 적용 시나리오: 주로 역 간 거리가 비교적 짧은 도심 밀집 지역에서 사용됩니다. 간섭은 네트워크 성능에 영향을 미치는 주요 요인입니다.

채택된 안테나 기술 유형: RANK=2 MIMO 듀얼 스트림, RANK=1 MIMO 싱글 스트림, RANK 어댑티브

성능 차이: RANK 적응형 알고리즘은 MIMO 강제 이중 스트림 방식보다 훨씬 우수하며, 동시에 이중 편파 안테나의 성능은 10λ 단일 편파 안테나의 성능과 거의 동일합니다.

대역폭 제약 시스템:

일반적인 적용 시나리오: 채널 상태(CQI)가 비교적 양호하고, 기지국 간 연속적인 커버리지가 없으며, 기지국 간 거리가 비교적 멀고, 사용자 수가 비교적 드문 경우. 예를 들어, 실험 네트워크 초기 단계의 단일 셀 커버리지 등.

안테나 기술 유형: RANK=2 MIMO 듀얼 스트림

성능 비교: 10λ 단일 편파 안테나의 성능이 이중 편파 안테나보다 우수하며, 성능 향상률은 약 20%입니다.

표 2-2 안테나 적용 시나리오 결론표

위에서는 주로 단극 안테나와 이중극 안테나의 성능 차이를 분석했습니다. 하지만 이중극 안테나는 시공상의 용이성이라는 장점을 가지고 있다는 점에 주목해야 합니다. 단일 폴 사용, 균일한 하향각 조정, 안테나 미관 개선 등이 그 예입니다. 무선 네트워크 부지 선정 및 설치가 점점 더 어려워지는 현 상황에서 이중극 안테나의 이러한 장점은 더욱 중요하게 작용합니다.

3 4G LTE기지국 안테나 적용 시나리오 및 선정 기준

이 섹션의 주요 내용은 실제 네트워크 구축 시나리오를 기반으로 무선 네트워크 커버리지 영역 분류 및 해당 안테나 선택에 대해 설명합니다.

3.1 도심 기지국 안테나 선택

적용 환경의 특징: 기지국이 조밀하게 배치되어 있어 단일 기지국의 커버리지 영역이 작습니다. 이를 통해 영역 간 커버리지를 최소화하고, 기지국 간 간섭을 줄이며, 다운로드 속도를 향상시킬 수 있을 것으로 기대됩니다.

안테나 선택 원칙:

편파 모드 선택: 도심 지역의 기지국 부지 선정의 어려움과 안테나 설치 공간의 제한으로 인해 이중 편파 안테나 및 광대역 안테나 사용을 권장합니다.

지향성 패턴 선택: 도심 지역에서는 주파수 재사용률을 높이는 것이 주요 고려 사항이므로 일반적으로 지향성 안테나가 사용됩니다.

반전력 빔폭 선택: 셀의 커버리지를 효과적으로 제어하고 간섭을 억제하기 위해 도시형 안테나의 수평 반전력 빔폭은 60~65°로 선택됩니다.

안테나 이득 선택: 도심 지역의 기지국은 일반적으로 넓은 커버리지가 필요하지 않으므로 중간 이득의 안테나를 사용하는 것이 좋습니다. 도심 지역에서는 15~18dBi의 이득을 가진 안테나를 사용하는 것이 권장됩니다. 도심 지역의 사각지대를 메우기 위해 마이크로셀 안테나를 사용하는 경우에는 더 낮은 이득의 안테나를 선택할 수 있습니다.

안테나 기울기 각도 선택: 도심 지역에서는 안테나 기울기 각도를 비교적 자주 조정해야 하고, 일부 안테나는 더 큰 기울기 각도로 설정해야 하는 경우가 있는데, 기계식 기울기 조절은 간섭 제어에 적합하지 않으므로 기울기 각도가 미리 설정된 안테나를 사용하는 것이 좋습니다. 조건에 따라 전기적으로 기울기 각도가 고정된 안테나 또는 전기적으로 조절 가능한 안테나를 선택할 수 있습니다.

3.2 교외 및 농촌 지역 기지국용 안테나 선정

적용 환경 특성: 기지국이 드문드문 배치되어 있고, 서비스 이용량이 적으며, 데이터 서비스 요구량이 비교적 낮고, 넓은 커버리지가 필요합니다. 일부 지역에서는 주변에 기지국이 하나밖에 없기 때문에 커버리지가 가장 중요한 고려 사항이 됩니다. 이때 안테나 선택은 기지국 주변의 커버리지가 필요한 영역을 기준으로 고려해야 합니다.

안테나 선택 원칙:

방향 패턴 선택: 기지국이 주변 지역을 커버해야 하고, 뚜렷한 방향성이 없으며, 기지국 주변의 트래픽 분포가 비교적 분산되어 있는 경우, 무지향성 기지국 커버리지를 사용하는 것이 좋습니다. 단, 무지향성 기지국은 이득이 작기 때문에 지향성 기지국에 비해 커버리지 거리가 짧다는 점에 유의해야 합니다. 또한, 무지향성 안테나를 설치할 때는 타워가 커버리지에 미치는 영향을 고려해야 하며, 안테나는 지면에 수직으로 설치해야 합니다. 만약 관할 당국에서 기지국 커버리지에 대해 더 긴 범위를 요구하는 경우, 지향성 안테나를 사용해야 합니다. 일반적으로 수평면에서 반전력 빔폭이 90°, 105°, 120°인 지향성 안테나를 사용하는 것이 좋습니다.

안테나 이득 선택: 커버리지 요구 사항에 따라 안테나 이득을 선택하십시오. 교외 및 농촌 지역에서는 높은 이득(16-18dBi)의 지향성 안테나 또는 9-11dBi의 무지향성 안테나를 선택하는 것이 좋습니다.

하향 경사각 조절 방식 선택: 교외 및 농촌 지역에서는 안테나의 하향 경사각을 조절할 수 있는 범위가 제한적이고, 조절 각도의 특성도 좋지 않습니다. 따라서 기계식 하향 경사각 조절 안테나를 사용하는 것이 좋습니다. 또한, 안테나를 50미터 이상 높이에 설치하고 근거리 커버리지가 필요한 경우에는 타워 하부의 신호 끊김 현상을 방지하기 위해 제로포인트 충전형 안테나를 우선적으로 고려할 수 있습니다.

3.3 고속도로 커버리지 기지국 안테나 선택

애플리케이션 환경 특성:이러한 환경에서는 비즈니스 규모가 작고 사용자 이동 속도가 빠릅니다. 따라서 커버리지 문제 해결에 중점을 두어야 합니다. 일반적으로 스트립형 커버리지를 목표로 하기 때문에 고속도로 커버리지에는 양방향 셀이 주로 사용되고, 마을이나 관광지를 통과하는 지역에는 무지향성 셀이 사용됩니다. 따라서 광역 커버리지가 중요하며, 사용되는 안테나 유형은 부지 선정 및 부지 유형에 따라 결정되어야 합니다. 고속도로 환경은 매우 다양합니다. 일반적으로 고속도로, 철도, 국도, 지방도 등과 같이 비교적 직선으로 뻗은 도로가 있는 경우, 고속도로 옆에 S1/1/1 또는 S1/1형 기지국을 설치하고 고이득 지향성 안테나를 사용하여 커버리지를 확보하는 것이 좋습니다. 반면, 구불구불한 산길이나 군도급 사설 산길과 같이 굴곡이 심한 도로가 있는 경우에는 고속도로 인근의 농촌 지역 커버리지와 결합하여 기지국을 고지대에 설치해야 합니다.

초기 계획 단계에서 안테나를 선택할 때는 넓은 커버리지를 위해 넓은 커버리지 거리를 가진 고이득 안테나를 선택하는 것이 좋습니다.

안테나 선택 원칙:

지향성 패턴 선택: 철도 및 고속도로를 커버하는 기지국에서는 좁은 빔 폭과 높은 이득을 가진 지향성 안테나를 사용할 수 있습니다. 안테나 형태는 설치 장소의 지형 기복 및 굴곡과 같은 요소를 고려하여 유연하게 선택할 수 있습니다.

안테나 이득 선택 시, 지향성 안테나 이득은 17dBi~22dBi 범위에서, 무지향성 안테나 이득은 11dBi 범위에서 선택할 수 있습니다.

하향 경사각 선택: 고속도로 커버리지의 경우 일반적으로 하향 경사각이 필요하지 않습니다. 저렴한 기계식 하향 경사 안테나 사용을 권장합니다. 거리가 50미터 이상이고 근거리 커버리지가 필요한 경우, 타워 아래의 음영 지역 문제를 해결하기 위해 제로 포인트 필링(15% 이상)이 적용된 안테나를 우선적으로 고려할 수 있습니다.

전후방비: 고속도로 통신망 사용자는 대부분 빠르게 이동하는 사용자이므로 정상적인 핸드오버를 보장하기 위해 지향성 안테나의 전후방비는 너무 높아서는 안 됩니다.

3.4 산악 지역 커버리지를 위한 기지국 안테나 선택

애플리케이션 환경 특성:외딴 구릉지대나 산악 지역에서는 산이 전파를 심하게 차단하여 전파 감쇠를 일으키고, 이로 인해 서비스 범위가 넓어지는 문제가 발생합니다. 이러한 지역에서는 일반적으로 기지국을 중심으로 넓은 서비스 반경 내에 사용자가 분산되어 있고, 서비스 규모는 작은 편입니다. 기지국은 산 정상, 산비탈, 산기슭, 또는 산악 지역의 적절한 위치 등 다양한 곳에 설치될 수 있습니다. 기지국 위치, 모델, 안테나를 선정할 때는 사용자 분포와 지형적 특성을 고려해야 합니다. 일반적으로 분지형 산악 지역에 기지국을 구축하는 경우, 고산 지대에 기지국을 구축하는 경우, 산 중턱에 기지국을 구축하는 경우, 일반적인 산악 지역에 기지국을 구축하는 경우 등이 이에 해당합니다.

안테나 선택 원칙:

지향성 패턴 선택: 지향성 패턴 선택은 기지국의 위치, 기지국 유형 및 주변 커버리지 요구 사항에 따라 달라집니다. 무지향성 안테나 또는 지향성 안테나를 선택할 수 있습니다. 산악 지대에 기지국을 설치하는 경우, 커버리지 대상 지역이 비교적 낮은 지역이라면 수직 커버리지 요구 사항을 더 잘 충족하기 위해 수직 반전력각이 더 큰 패턴을 선택해야 합니다.

안테나 이득 선택: 커버해야 할 영역의 거리에 따라 중간 이득의 안테나, 무지향성 안테나(9-11dBi), 지향성 안테나(15-18dBi)를 선택하십시오.

경사각 선택: 산에 기지국을 설치하고 커버리지 영역이 산기슭에 있는 경우, 제로 포인트 필링 기능이 있는 안테나 또는 사전 설정된 하향 경사각을 선택해야 합니다. 사전 설정된 하향 경사각의 크기는 기지국과 커버리지 영역의 상대적인 높이를 기준으로 선택해야 합니다. 상대적인 높이가 클수록 사전 설정된 하향 경사각도 커야 합니다.

3.5 LTE기지국 안테나 적용 시나리오 요약

위의 선택 사항과 LTE의 특수한 조건을 고려하여 권장되는 안테나 선택 원칙은 다음과 같습니다.

표 3-1 안테나 적용 시나리오 요약

일반적으로 LTE 기지국 선정은 기존 시설을 활용하기 때문에 LTE 안테나 설치 공간이 충분한지, 그리고 높이가 LTE 계획에 부합하는지가 가장 큰 문제입니다. 따라서 실제 프로젝트에서는 편파 방식, 광대역 안테나 사용 여부, 하향 경사각 등의 기술적 매개변수를 결정합니다. 기존 시설에 대한 상세한 조사를 실시하고 실제 상황에 맞는 합리적인 계획을 수립하는 것이 필수적입니다. LTE는 MIMO 기술을 사용하기 때문에 현재 2T2R과 4T4R 방식이 널리 사용되고 있습니다. 기지국 구축 비용 등을 고려하여 2T2R 방식에서는 일반적으로 이중 편파 안테나를 사용하고, 4T4R 방식에서는 이중 편파 안테나 두 개를 사용하며, 안테나 간 거리는 1~2λ(2.6G 기준 약 30~50cm)로 설정합니다.

4 5G 대규모 MIMO AAU및 응용 시나리오

이 섹션의 주요 내용은 5G AAU의 안테나 및 애플리케이션 시나리오 선택에 대해 간략하게 설명합니다.

4.1 5G 대규모 MIMO AAU

4G 시대에 매우 성숙해진 다중 입력 및 출력(MIMO) 기술은 송수신기와 송수신 시스템 간의 다중 안테나 사이에 존재하는 다중 공간 채널을 효과적으로 활용하여 여러 개의 상호 직교 데이터 스트림을 전송함으로써 통신 대역폭을 증가시키지 않고도 데이터 처리량과 통신 안정성을 향상시킬 수 있습니다.

4G에서 5G 시대로 발전해 온 매시브 MIMO 기술은 MIMO 기술의 업그레이드 버전입니다. 제한된 시간과 주파수 자원을 활용하여 수백 개의 안테나 유닛으로 최대 수십 대의 모바일 단말기를 동시에 지원함으로써 데이터 처리량과 에너지 효율을 향상시켰습니다. 5G 통신 주파수는 높고 안테나 크기는 소형화되어 기존 공간에 더 많은 안테나를 집적할 수 있습니다. 매시브 MIMO 기술은 5G 시대 통신 기술의 방향을 제시했습니다. 따라서 안테나는 5G 시대에 무선 주파수 프런트엔드 다음으로 폭발적인 성장을 보이는 부품이 되었습니다. 기지국 안테나가 전체 안테나의 20%, 단말기 안테나가 80%를 차지합니다.

5G 기지국에서 Massive MIMO 기술이 광범위하게 사용됨에 따라, 내장 안테나는 다수의 발진기와 송수신 장치를 통합하고 있어 능동 안테나 어레이 유닛(AAU)이라고도 불립니다. 내부 구조 개략도 및 제품 형태는 아래 그림에 나와 있습니다.

Figure 4-1 Massive MIMO AAU structural schematic diagram

Figure 4-2 Exploded view of Massive MIMO AAU product form

6GHz 미만 주파수 대역의 AAU(Adaptive Antenna)에서 통신 장비 제조업체는 일반적으로 192개의 발진기를 사용합니다. 발진기는 가로 방향으로 12행, 세로 방향으로 8열로 배열됩니다. 여기에 45°의 이중 편파를 더하면 총 12x8x2=192개의 발진기가 됩니다. 3개의 발진기가 모여 안테나를 형성하므로 AAU는 총 192/3=64개의 안테나를 갖습니다. 만약 6개의 발진기가 모여 안테나를 형성한다면 AAU는 192/6=32개의 안테나를 갖게 됩니다.

그림 4-3 65TR 및 32TR AAU 안테나 소자 구조도

6GHz 미만 대역의 AAU는 일반적으로 완전 디지털 빔포밍을 사용합니다. 안테나 개수, 전송 채널 개수, 전력 증폭기 개수는 동일하다고 볼 수 있습니다. 안테나 개수는 커버리지에 중요한 요소입니다. 안테나 개수가 많을수록 빔이 좁아지고 에너지가 더 집중됩니다. 안테나와 채널 수가 많아질수록 AAU 내부에 더 많은 전력 증폭기가 필요하게 되고, 기저대역 자원 소모가 증가하여 장비 비용이 높아집니다.

4.2 5G신호 페이딩 모델

3GPP TR 38.901은 실내 핫스팟 사무실 지역(InH-Office), 도심 마이크로셀 거리(UMi-Street Canyon), 도심 매크로셀(Uma), 농촌 매크로셀(RMa)의 네 가지 시나리오를 제공합니다. 각 시나리오는 비가시선(NLOS)과 가시선(LOS) 시나리오로 나뉘며, 총 8개의 전파 모델이 있습니다. 본 논문에서는 도심 매크로셀 Uma-LOS/NLOS 시나리오에서 경로 손실 모델을 선택합니다. 여기서 f는c동작 주파수(GHz), hBS기지국 안테나의 유효 높이(m), hUT이동국 안테나의 유효 높이(m), d2D기지국과 이동국 간의 수평 거리(m), d3D기지국 안테나와 이동국 안테나 사이의 직선 거리(m).

위 표에 따르면, 도시 매크로 기지국의 다양한 채널에 대한 일반적인 최대 허용 경로 손실(MAPL)은 다음 공식에 따라 계산할 수 있습니다. 5G NR 3.5GHz의 업링크와 다운링크 간 최대 허용 경로 손실 차이는 13.65dB에 달하며, 네트워크 커버리지는 업링크에서 제한되고, 특히 업링크 PUSCH 채널에 의해 제한됨을 알 수 있습니다.

PL최대=PTx-Lf+GTx-Mf-Ml+GRx-Lp-Lb-SR

여기서 PTx기지국 송신 전력, Lf피더 손실, GTx기지국 안테나 이득, Mf그림자 페이딩 및 빠른 페이딩 여백, Ml간섭 마진, GRx휴대폰 안테나 이득, Lp건물 투과 손실, Lb차체 마모, SRx휴대폰 수신 감도

4.3 5G AAU애플리케이션 시나리오

인구 밀도가 높은 도심 지역에서는 복잡한 무선 환경으로 인해 간섭이 심화되고, 고층 건물로 인해 높은 수직 커버리지와 사용자 용량 요구 사항이 발생합니다. 64TR 장비는 더 나은 Massive MIMO 빔포밍을 제공하고, 높은 트래픽의 다중 사용자 MIMO 전송을 구현하여 수직 커버리지를 크게 향상시킬 수 있습니다. 교외 및 농촌 지역에서는 MU-MIMO 페어링 성공률이 낮아지고 64TR 장비의 용량 이점을 충분히 활용할 수 없으므로 저사양 장비를 사용할 수 있습니다. 32개의 안테나만으로도 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 더욱 외딴 지역에서는 용량 요구 사항이 높지 않고 주요 문제는 커버리지 문제 해결입니다. 이 경우 Massive MIMO조차 필요하지 않으며, 8포트 RRU를 사용하여 안테나를 연결하는 것으로 충분합니다.

아래 그림은 장비 제조업체가 제안한 시나리오 기반 네트워크 커버리지 솔루션을 보여줍니다. 매크로 사이트는 가장 중요한 제품 형태입니다. 64TR AAU는 4G/5G 단계에서 지속적인 고용량 수요를 해결하고, 저사양 32TR AAU는 4G/5G 트래픽이 적은 지역에서 저비용 네트워크 구축 수요를 해결합니다. 실내 분배 시스템 제품에는 2TR 및 4TR 장비가 포함되며, 기존 네트워크 또는 신규 구축 시설에 수동 실내 분배 시스템을 활용하여 고부가가치, 고트래픽 실내 시나리오를 해결합니다. 또한, 마이크로 스테이션 기지국 4TR 무선 주파수 장치(RRU) 제품은 주거 지역이나 보행자 거리와 같이 혼잡하고 수요가 높은 시나리오에서 널리 사용됩니다.

그림 4-4 장비 제조업체가 제시한 시나리오 기반 네트워크 커버리지 솔루션

4.2절의 계산 결과에서 알 수 있듯이, 3.5GHz 대역의 5G NR 업링크 커버리지는 주로 단말기 전력 제한으로 인해 제한적입니다. 5G 출시 이후에도 업링크와 다운링크 서비스 속도 요구 사항이 비대칭적일 것(다운링크 속도 요구 사항이 업링크보다 훨씬 높음)이라는 점을 고려할 때, 기존 네트워크 구조를 유지하고 네트워크 구축 비용을 절감하여 통신 사업자가 4G 운영 사이트에 5G를 신속하게 중첩 및 구축할 수 있도록 업링크와 다운링크 분리(SUL)를 통해 업링크 커버리지 병목 현상을 해결할 수 있습니다. 즉, 업링크에는 기존 LTE 장비를 사용하고, 1.8GHz FDD 대역폭의 일부를 5G NR용으로 재활용하여 커버리지를 개선하며, 다운링크에는 3.5GHz 대역을 5G NR에 구축하는 것입니다.

그림 4-5는 업링크와 다운링크에 서로 다른 주파수 대역을 사용하는 디커플링 솔루션을 보여줍니다.

이 기사는 다음에서 복제되었습니다. " Microwave Radio Frequency Network 지적 재산권 보호를 지지하며, 재인쇄 시 원본 출처와 저자를 명시해 주시기 바랍니다. 저작권 침해가 있을 경우 삭제를 위해 저희에게 연락해 주십시오.