10년 전만 해도 스마트폰은 일반적으로 4개의 GSM 주파수 대역에서 작동하는 몇 가지 표준과 WCDMA 또는 CDMA2000 표준 몇 개만 지원했습니다. 선택할 수 있는 주파수 대역이 너무 적기 때문에 850/900/1800/1900MHz 대역을 사용하고 전 세계 어디에서나 사용할 수 있는 "쿼드 밴드" GSM 전화기를 통해 어느 정도 전역 균일성이 달성되었습니다. 꽤).
이는 여행자에게 큰 이점이며 전체 글로벌 시장에 대해 몇 가지 모델(또는 하나만)만 출시하면 되는 장치 제조업체에게는 엄청난 규모의 경제를 창출합니다. 오늘날에도 GSM은 글로벌 로밍을 제공하는 유일한 무선 액세스 기술로 남아 있습니다. 그건 그렇고, 당신이 몰랐다면 GSM은 점차적으로 단계적으로 폐지되고 있습니다.
이름에 걸맞은 모든 스마트폰은 대역폭, 전송 전력, 수신기 감도 및 기타 여러 매개변수 측면에서 다양한 RF 인터페이스 요구 사항을 갖춘 4G, 3G 및 2G 액세스를 지원해야 합니다.
또한, 글로벌 스펙트럼의 단편적인 가용성으로 인해 4G 표준은 많은 수의 주파수 대역을 포괄하므로 사업자는 특정 지역에서 사용 가능한 모든 주파수에서 이를 사용할 수 있습니다. 현재 LTE1 표준의 경우와 마찬가지로 총 50개 대역입니다. 진정한 "세계 전화"는 이러한 모든 환경에서 작동해야 합니다.
모든 셀룰러 무선이 해결해야 할 핵심 문제는 '이중 통신'입니다. 우리는 말할 때 동시에 듣습니다. 초기 무선 시스템은 PTT(Push-to-Talk)를 사용했지만(일부는 여전히 사용함) 전화 통화를 할 때 상대방이 방해할 것이라고 예상합니다. 1세대(아날로그) 셀룰러 장치는 다른 주파수에서 업링크를 전송함으로써 "기절"되지 않고 다운링크를 수신하기 위해 "이중 필터"(또는 듀플렉서)를 사용했습니다.
이러한 필터를 더 작고 저렴하게 만드는 것은 초기 휴대폰 제조업체의 주요 과제였습니다. GSM이 도입되었을 때 이 프로토콜은 트랜시버가 "반이중 모드"에서 작동할 수 있도록 설계되었습니다.
이는 듀플렉서를 제거하는 매우 영리한 방법이었으며 GSM이 업계를 지배할 수 있는 저가의 주류 기술이 되도록 돕는 주요 요인이었습니다(그리고 그 과정에서 사람들이 통신하는 방식을 변화시켰습니다).
안드로이드 운영체제 창시자인 Andy Rubin의 Essential 휴대폰은 Bluetooth 5.0LE, 다양한 GSM/LTE, 티타늄 프레임에 숨겨진 Wi-Fi 안테나 등 최신 연결 기능을 갖추고 있습니다.
불행하게도 기술적 문제를 해결하면서 배운 교훈은 3G 초기의 기술-정치적 전쟁에서 빠르게 잊혀졌고, 현재 지배적인 형태의 FDD(주파수 분할 이중화)는 작동하는 각 FDD 대역에 대해 이중화 장치를 필요로 합니다. LTE 붐이 비용 요인의 증가를 동반한다는 것은 의심의 여지가 없습니다.
일부 대역은 TDD(무선이 전송과 수신 사이를 빠르게 전환하는 경우)를 사용할 수 있지만 이러한 대역의 수는 더 적습니다. 대부분의 사업자(주로 아시아 사업자 제외)는 FDD 범위를 선호하며 그 중 30개 이상이 있습니다.
TDD 및 FDD 스펙트럼의 유산, 진정한 글로벌 대역 확보의 어려움, 더 많은 대역을 갖춘 5G의 출현으로 인해 이중화 문제가 더욱 복잡해졌습니다. 조사 중인 유망한 방법에는 새로운 필터 기반 설계와 자기 간섭 제거 기능이 포함됩니다.
후자는 또한 "조각 없는" 이중 통신(또는 "대역 내 전이중")이라는 다소 유망한 가능성을 제공합니다. 5G 이동통신의 미래에는 FDD와 TDD뿐만 아니라 이러한 신기술을 기반으로 한 유연한 이중화(Flexible Duplex)도 고려해야 할 것입니다.
덴마크 Aalborg University의 연구원들은 전송 및 수신을 위해 별도의 안테나를 사용하고(18페이지 그림 참조) 이러한 안테나를 맞춤형 안테나와 결합하여(저성능) 결합하는 “SAFE(스마트 안테나 프런트 엔드)”2-3 아키텍처를 개발했습니다. 원하는 전송 및 수신 격리를 달성하기 위해 필터링합니다.
성능은 인상적이지만 안테나가 2개가 필요하다는 것이 큰 단점이다. 휴대폰이 얇아지고 날렵해지면서 안테나를 설치할 수 있는 공간도 점점 작아지고 있습니다.
모바일 장치에는 MIMO(공간 다중화)를 위한 다중 안테나도 필요합니다. SAFE 아키텍처와 2×2 MIMO를 지원하는 휴대폰에는 안테나가 4개만 필요합니다. 또한 이러한 필터와 안테나의 튜닝 범위는 제한되어 있습니다.
따라서 글로벌 휴대폰은 모든 LTE 주파수 대역(450MHz ~ 3600MHz)을 포괄하기 위해 이 인터페이스 아키텍처를 복제해야 하며, 이를 위해서는 더 많은 안테나, 더 많은 안테나 튜너 및 필터가 필요합니다. 구성 요소 중복으로 인한 다중 대역 작동.
태블릿이나 노트북에 더 많은 안테나를 설치할 수 있지만 이 기술을 스마트폰에 적합하게 만들려면 사용자 정의 및/또는 소형화에 대한 추가적인 발전이 필요합니다.
전기적으로 균형 잡힌 이중 통신 방식은 유선 전화 통신 초기부터 사용되었습니다17. 전화 시스템에서 마이크와 이어피스는 전화선에 연결되어야 하지만 사용자 자신의 목소리가 약한 수신 오디오 신호를 방해하지 않도록 서로 분리되어야 합니다. 이는 전자 전화기가 출현하기 전에 하이브리드 변압기를 사용하여 달성되었습니다.
아래 그림에 표시된 이중 회로는 동일한 값의 저항을 사용하여 전송 선로의 임피던스를 일치시켜 마이크의 전류가 변압기로 들어갈 때 분리되어 1차 코일을 통해 반대 방향으로 흐르도록 합니다. 자속이 효과적으로 상쇄되고 2차 코일에 전류가 유도되지 않으므로 2차 코일이 마이크에서 격리됩니다.
그러나 마이크의 신호는 여전히 전화선으로 이동하고(약간의 손실이 있음) 전화선으로 들어오는 신호는 여전히 스피커로 이동하므로(역시 약간의 손실이 있음) 동일한 전화선에서 양방향 통신이 가능합니다. . . 금속 와이어.
무선 평형 듀플렉서는 전화 듀플렉서와 유사하지만 그림 B와 같이 마이크, 핸드셋 및 전화선 대신 송신기, 수신기 및 안테나가 각각 사용됩니다.
송신기를 수신기로부터 분리하는 세 번째 방법은 자기 간섭(SI)을 제거하여 수신된 신호에서 전송된 신호를 빼는 것입니다. 전파방해 기술은 수십 년 동안 레이더와 방송에 사용되어 왔습니다.
예를 들어, 1980년대 초 Plessy는 반이중 아날로그 FM 군사 통신 네트워크의 범위를 확장하기 위해 "Groundsat"이라는 SI 보상 기반 제품을 개발하고 판매했습니다4-5.
이 시스템은 전이중 단일 채널 중계기 역할을 하여 작업 영역 전반에 걸쳐 사용되는 반이중 무선 장치의 유효 범위를 확장합니다.
최근에는 단거리 통신(셀룰러 및 Wi-Fi)을 향한 추세로 인해 자기 간섭 억제에 대한 관심이 높아졌습니다. 이는 소비자 사용을 위한 더 낮은 전송 전력 및 더 높은 전력 수신으로 인해 SI 억제 문제를 더 쉽게 관리할 수 있게 해줍니다. . 무선 액세스 및 백홀 애플리케이션 6-8.
Apple의 iPhone(Qualcomm의 도움을 받아)은 단일 칩에서 16개의 LTE 대역을 지원하는 세계 최고의 무선 및 LTE 기능을 갖추고 있습니다. 즉, GSM 및 CDMA 시장을 포괄하려면 두 개의 SKU만 생산하면 됩니다.
간섭 공유가 없는 이중 응용 분야에서 자체 간섭 억제는 업링크와 다운링크가 동일한 스펙트럼 리소스를 공유하도록 허용하여 스펙트럼 효율성을 향상시킬 수 있습니다9,10. 자기 간섭 억제 기술을 사용하여 FDD용 맞춤형 듀플렉서를 만들 수도 있습니다.
취소 자체는 일반적으로 여러 단계로 구성됩니다. 안테나와 트랜시버 사이의 지향성 네트워크는 전송 신호와 수신 신호 간의 첫 번째 수준의 분리를 제공합니다. 둘째, 추가 아날로그 및 디지털 신호 처리를 사용하여 수신된 신호에 남아 있는 고유 잡음을 제거합니다. 첫 번째 단계에서는 별도의 안테나(SAFE에서와 같이), 하이브리드 변압기(아래 설명)를 사용할 수 있습니다.
안테나 분리의 문제는 이미 설명되었습니다. 순환기는 결정에서 강자성 공명을 사용하기 때문에 일반적으로 협대역입니다. 이 하이브리드 기술, 즉 EBI(Electrically Balanced Isolation)는 광대역이 가능하고 잠재적으로 칩에 통합될 수 있는 유망한 기술입니다.
아래 그림에 표시된 것처럼 스마트 안테나 프런트 엔드 설계는 2개의 협대역 조정 가능 안테나(송신용 하나, 수신용 하나)와 성능은 낮지만 조정 가능한 이중 필터 한 쌍을 사용합니다. 개별 안테나는 안테나 간 전파 손실을 감수하면서 어느 정도 수동적 격리를 제공할 뿐만 아니라 순간 대역폭이 제한되어 있지만 조정 가능합니다.
송신 안테나는 송신 주파수 대역에서만 효과적으로 동작하고, 수신 안테나는 수신 주파수 대역에서만 효과적으로 동작합니다. 이 경우 안테나 자체도 필터 역할을 합니다. 대역 외 Tx 방출은 송신 안테나에 의해 감쇠되고 Tx 대역의 자기 간섭은 수신 안테나에 의해 감쇠됩니다.
따라서 아키텍처에서는 안테나 튜닝 네트워크를 사용하여 안테나를 튜닝할 수 있어야 합니다. 안테나 튜닝 네트워크에는 피할 수 없는 삽입 손실이 있습니다. 그러나 최근 MEMS18 조정 가능 커패시터의 발전으로 이러한 장치의 품질이 크게 향상되어 손실이 감소했습니다. Rx 삽입 손실은 약 3dB이며 이는 SAW 듀플렉서 및 스위치의 총 손실과 비슷합니다.
그런 다음 안테나 기반 격리는 역시 MEM3 조정 가능 커패시터를 기반으로 하는 조정 가능 필터로 보완되어 안테나로부터 25dB 격리, 필터로부터 25dB 격리를 달성합니다. 프로토타입을 통해 이것이 달성될 수 있음이 입증되었습니다.
학계와 업계의 여러 연구 그룹에서는 양면 인쇄에 하이브리드 사용을 모색하고 있습니다11-16. 이러한 방식은 단일 안테나에서 동시 전송 및 수신을 허용하지만 송신기와 수신기를 분리하여 SI를 수동적으로 제거합니다. 이는 본질적으로 광대역이며 온칩으로 구현될 수 있으므로 모바일 장치의 주파수 이중화를 위한 매력적인 옵션이 됩니다.
최근 발전을 통해 EBI를 사용하는 FDD 트랜시버는 셀룰러 애플리케이션에 적합한 삽입 손실, 잡음 지수, 수신기 선형성 및 차단 억제 특성을 갖춘 CMOS(상보형 금속 산화물 반도체)로 제조할 수 있는 것으로 나타났습니다. 그러나 학술 및 과학 문헌의 수많은 사례에서 알 수 있듯이 이중 격리에 영향을 미치는 근본적인 한계가 있습니다.
무선 안테나의 임피던스는 고정되어 있지 않지만 작동 주파수(안테나 공진으로 인해) 및 시간(변화하는 환경과의 상호 작용으로 인해)에 따라 달라집니다. 이는 밸런싱 임피던스가 트랙 임피던스 변화에 맞춰 조정되어야 하며 디커플링 대역폭은 주파수 영역의 변화로 인해 제한된다는 것을 의미합니다13(그림 1 참조).
브리스톨 대학교에서의 우리 작업은 실제 사용 사례에서 필요한 보내기/받기 격리 및 처리량을 달성할 수 있음을 입증하기 위해 이러한 성능 제한을 조사하고 해결하는 데 중점을 두고 있습니다.
(격리에 심각한 영향을 미치는) 안테나 임피던스 변동을 극복하기 위해 당사의 적응형 알고리즘은 안테나 임피던스를 실시간으로 추적하며, 테스트 결과 사용자 손 상호 작용, 고속 도로 및 철도를 비롯한 다양한 동적 환경에서 성능이 유지될 수 있는 것으로 나타났습니다. 여행하다.
또한 주파수 영역에서 제한된 안테나 매칭을 극복하여 대역폭과 전체 격리를 증가시키기 위해 전기적으로 균형 잡힌 듀플렉서를 추가적인 능동 SI 억제와 결합하고 두 번째 송신기를 사용하여 억제 신호를 생성하여 자기 간섭을 더욱 억제합니다. (그림 2 참조)
테스트베드의 결과는 고무적입니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이 능동 기술을 EBD와 결합하면 전송 및 수신 격리가 크게 향상될 수 있습니다.
우리의 최종 실험실 설정은 저렴한 모바일 장치 구성 요소(휴대폰 전력 증폭기 및 안테나)를 사용하여 휴대폰 구현을 대표합니다. 더욱이, 우리의 측정은 이러한 유형의 2단계 자기 간섭 제거가 저가의 상용 등급 장비를 사용하는 경우에도 업링크 및 다운링크 주파수 대역에서 필요한 이중 절연을 제공할 수 있음을 보여줍니다.
셀룰러 장치가 최대 범위에서 수신하는 신호 강도는 전송하는 신호 강도보다 12배 낮아야 합니다. TDD(Time Division Duplex)에서 이중 회로는 단순히 안테나를 송신기 또는 수신기에 연결하는 스위치이므로 TDD의 듀플렉서는 간단한 스위치입니다. FDD에서는 송신기와 수신기가 동시에 작동하며 듀플렉서는 필터를 사용하여 송신기의 강한 신호로부터 수신기를 분리합니다.
셀룰러 FDD 프런트 엔드의 듀플렉서는 업링크 대역에서 50dB 이상의 격리를 제공하여 Tx 신호로 인한 수신기의 과부하를 방지하고, 다운링크 대역에서 50dB 이상의 격리를 제공하여 대역 외 전송을 방지합니다. 수신기 감도가 감소했습니다. Rx 대역에서는 전송 및 수신 경로의 손실이 최소화됩니다.
주파수가 몇 퍼센트만 분리되는 이러한 저손실, 고절연 요구 사항에는 높은 Q 필터링이 필요하며, 이는 지금까지 SAW(표면 탄성파) 또는 BAW(체음파) 장치를 통해서만 달성할 수 있습니다.
필요한 장치 수가 많아지면서 기술이 계속 발전하고 있지만 다중 대역 작동은 그림 A와 같이 각 대역에 대해 별도의 오프칩 이중 필터를 의미합니다. 모든 스위치와 라우터에는 다음과 같은 추가 기능도 추가됩니다. 성능 저하 및 절충.
현재 기술을 기반으로 한 저렴한 글로벌 휴대폰은 제조가 너무 어렵습니다. 결과적인 무선 아키텍처는 매우 크고 손실이 많으며 비용이 많이 듭니다. 제조업체는 다양한 지역에 필요한 다양한 대역 조합을 위해 여러 제품 변형을 만들어야 하므로 무제한 글로벌 LTE 로밍이 어려워집니다. GSM의 지배력을 이끈 규모의 경제는 점점 더 달성하기 어려워지고 있습니다.
고속 데이터 속도 모바일 서비스에 대한 수요 증가로 인해 50개 주파수 대역에 걸쳐 4G 모바일 네트워크가 구축되었으며, 5G가 완전히 정의되고 널리 구축됨에 따라 더 많은 대역이 제공될 예정입니다. RF 인터페이스의 복잡성으로 인해 현재 필터 기반 기술을 사용하는 단일 장치에서 이 모든 것을 포괄하는 것은 불가능하므로 사용자 정의 및 재구성이 가능한 RF 회로가 필요합니다.
이상적으로는 조정 가능한 필터나 자기 간섭 억제 또는 이 둘의 조합을 기반으로 이중화 문제를 해결하는 새로운 접근 방식이 필요합니다.
비용, 크기, 성능 및 효율성에 대한 다양한 요구 사항을 충족하는 단일 접근 방식은 아직 없지만 아마도 몇 년 안에 퍼즐 조각이 합쳐져 주머니에 들어갈 것입니다.
SI 억제 기능을 갖춘 EBD와 같은 기술은 동일한 주파수를 양방향으로 동시에 사용할 수 있는 가능성을 열어 스펙트럼 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
게시 시간: 2024년 9월 24일