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Nikkei Electronics_2021.4 Hot News (p15-17)

밀리파 5G를 실내에서도 쾌적 이용
창을 전파 렌즈화, AGC와 NTT도코모가 개발

2021년 이후 5G에서 이른바 밀리파대(일본에서는 28GHz)를 사용한 서비스가 세계 각지에서 본격화된다. 그러나 밀리파는 전파가 멀리까지 도달하기 어려운 과제가 있다. 직진성이 높아 차폐물에 막혀 힘이 쉽게 약해지기 때문이다. 예를 들면 옥외 기지국과 실내의 단말이 밀리파로 통신하면 통신 환경이 불안정해진다.

그래서 AGC는 ‘메타서페이스 렌즈’를 개발했다. 메타서페이스 렌즈는 그 이름대로 밀리파를 한 점에 모으는 렌즈로서 기능한다. 메타서페이스 렌즈의 기능을 갖는 시트를 유리창 내측에 붙여서 사용한다.

이렇게 한 점에 모은 밀리파를, 전파를 노린 위치에 확산시키는 ‘액티브 리플렉터’를 이용해 방 안에 확산시켜 창유리에서의 감쇠 영향을 억제한다. 장기적으로는 증폭 기능을 갖는 리피터를 병용하는 것도 검토한다. 본 기술은 AGC와 NTT도코모가 공동 개발해 21년 1월에 발표했다. 밀리파의 국내 상용망의 본격화가 전망되는 23년까지 상용화 가능한 단계까지 완성도를 올리는 것이 목표다.

-- 메타서페이스로 전파를 한 점으로 --
메타서페이스는 ‘Unit Cell’이라는 단체 구조를 주기적으로 배치해 입사한 전파의 위상을 컨트롤하는 기술이다.

메타서페이스 렌즈는 두께 수 µm로 필름처럼 얇다. 표면에는 낮은 저항의 도체로 만들어진 수 mm 사이즈의 Unit Cell이 수 mm 간격으로 동심원 상태로 배치되어 있다. 이 메타서페이스가 특정 주파수의 전파 위상을 변화시켜, 통과한 전파를 초점에 모은다. 창유리에 입사하는 전파의 총량은 렌즈의 유무에 상관없이 불변이지만 그것을 한 곳에 모을 수 있는 것이 이 기술의 특징이다. Unit Cell의 치수나 배치에 따라서 대응하는 주파수나 초점을 일정 범위 내에서 조정할 수 있다고 한다.

-- 전파를 확산해 실내를 구역화 --
액티브 리플렉터도 메타서페이스 기술을 활용한 것이다. “표면에 Unit Cell이 다수 있다. 어떠한 반사각으로 할 것인가를 프로그래밍하면 그에 대응하는 Unit Cell의 소자만이 위상을 변화시킨다”(사업개척부 다카하시(高橋) 매니저).

또한 창유리에 입사하는 전파는 평면파일 필요가 있고, 구면파(Spherical Wave)나 급격한 각도에서 입사하면 성능이 떨어진다. 그 때문에 상정할 수 있는 설치 장소는 기지국 설치 장소와 높이가 가까워서 전파가 평면으로 도달하기 쉬운, 빌딩이나 가정의 1~3층 등이다.

경관에도 고려하고 있다. Unit Cell 자체는 검정색의 ‘x’ 모양이기 때문에, 그대로 사용하면 유리창에 동심원 모양의 검은 고리가 나타나게 된다. 그래서 “Unit Cell의 도체 부분에 미세한 패터닝을 함으로써 Unit Cell을 쉽게 보이지 않도록 했다”(다카하시 매니저). 흐릿하게는 보이지만 육안으로는 확인할 수 없는 상태라고 한다.

-- 통상 유리에서 24dB 전력 향상 --
AGC와 NTT도코모는 공동으로 전파 암실에서 메타서페이스를 이용한 실증실험을 했다. 이용한 메타서페이스 렌즈의 시작품의 대응 주파수대는 26G~28GHz다.

27.6GHz의 송신기 끝에 두께 4mm, 사면 80cm의 일반적인 창유리를 설치. 창유리에서 80cm의 지점에 계측기를 설치했다. 창유리만 있는 경우와, 메타서페이스 렌즈를 사용하는 경우의 전력을 측정했다.

그 결과, 창유리만 있는 경우의 기준치(0dB)에 대해 메타서페이스 렌즈를 통해 24dB 이상 수신전력이 향상된다는 것을 알았다. NTT도코모에 따르면, 메타서페이스 렌즈를 이용해 창유리를 통과하는 밀리파를 실내의 특정 장소에 모아, 수신전력을 향상시키는 실험에 성공한 것은 세계에서 처음이라고 한다.

-- 듀얼 밴드도 고려 --
메타서페이스 렌즈의 실용 상의 과제는 리던던시(Redundancy)가 부족하다는 점이다. 메타서페이스 렌즈의 출사각은 Unit Cell의 치수나 배치로 정해진다. 그 때문에 방의 배치나 창문의 크기에 맞춰서 패턴을 설계할 필요가 있다. 앞으로는 다양한 레이아웃의 방에 대해, 여러 패턴의 메타서페이스로 대응할 수 있도록 하는 것이 목표다.

동시에 28GHz대와 39GHz대와 같은 듀얼 밴드 대응도 목표한다. 이 목표도 Unit Cell의 연구를 통해 진화의 여지가 있다고 한다. 렌즈의 크기에 대해서는 현재의 80cm보다도 큰 제품을 개발하는 것도 고려하고 있지만 한계는 있다고 한다.

-- 밀리파가 통과하는 차열 유리 --
전파가 약해지기 쉬운 밀리파의 과제에 대해 AGC는 다른 대책도 추진하고 있다. 그 하나가 전파가 통과하는 차열 유리 ‘WaveThru’다.

일본 내에서 보급되고 있는 ‘Low-E 글래스’를 비롯해 차열 유리는 통상의 유리창보다도 전파가 통과하기 어렵다. 일반적으로 차열 유리는 유리를 2장 겹친 구조로 되어 있고, 그 사이에 투명한 금속의 차열막이 들어 있다. 그것이 철판과 같은 역할을 해서 전파를 튕겨 버린다고 한다. 특히 밀리파는 영향을 받기 쉽다. WaveThru는 차열막에 레이저 처리를 함으로써 전파가 쉽게 통과하도록 했다.

메타서페이스 렌즈와의 병용도 가능하다. 앞에서 말한 실증실험에 따르면, WaveThru와 렌즈를 조합한 경우, 통상의 창유리+렌즈와 거의 다르지 않은 24dB의 수신 전력을 확인할 수 있었다고 한다.

“아직 상용화되지 않았지만 북미 시장이 선행적으로 도입할 것이다”(다카하시 매니저). 유럽과 미국의 많은 건물에서 차열 유리를 사용하고 있고, 북미에서는 이미 상용망에 밀리파를 사용하고 있기 때문이다.

-- 창유리가 5G 안테나화 --
AGC의 5G 관련 기술에서 이미 도입된 것이 ‘WAVEATTOCH’다. 그러나 현시점에서는 밀리파가 아니라 Sub6의 주파수대에서 이용되고 있다.

WAVEATTOCH는 5G에 대응하는 유리 안테나로, 투명하기 때문에 경관을 방해하지 않는다. 주로 창유리의 실내 측에 붙여서, 천장 등에 설치한 무선 종국(Wireless Slave Station) RU(Radio Unit)와 케이블로 연결한다. 옥외를 향해 전파를 발신해 주위를 5G 구역화한다.

20년 8월에 히로시마텔레비전방송 내의 ‘히로시마 컨벤션 홀’에 일본에서 처음으로 도입했다. 또한 20년 12월에는 체코의 T-Mobile Czech Republic 본사 창문에서 통신테스트를 실시, 좋은 결과를 얻었다고 한다.

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