무선 네트워킹의 숨은 영웅 안테나의 진화와 과제

섀넌 하틀리의 정리는 “노이즈가 있는 상태에서 특정 대역폭의 통신 채널을 통해 정보를 전송할 수 있는 최고 속도”를 나타낸 것이다. 설명하자면, 무선 데이터는 아주 빠른 속도로 전송할 수 있다. 하지만 만약 데이터 전송속도가 제한적이라면, 기가비트 LTE와 2025년까지 수십억에 달할 것으로 예상되는 5G 연결을 어떻게 지원할 것인가?



앞으로 몇 년 동안 무선 연결은 편재화될 것인데, 단지 스마트폰이나 태블릿, PC만이 아니라 일반 가정과 자동차, 도시 등으로 확산될 것이다. 이 모든 것이 바로 너무나 수수해서 잊어버리기 쉬운 RF의 숨은 봉사자인 안테나 덕분이다. 초기 휴대폰의 너무나 투박했던 안테나에서 발전해 오늘날의 거의 보이지 않는 안테나 시스템이 고속 네트워킹을 가능하게 한다. 안테나는 새로운 무선 기술이 부상하면 이를 만족하기 위해 진화를 거듭했다.

안테나의 해부
안테나는 디바이스가 무선 신호를 효과적으로 전송하고 수신할 수 있도록 해 오래된 수신 상태의 문제를 해결한다. 증가하는 데이터 트래픽은 휴대폰의 안테나에 큰 부담을 주고 수신 품질을 낮추고 배터리를 갉아먹고 결국에는 사용자를 실망하게 한다.

안테나 자체는 범용 제품으로, 디바이스 내의 회로판 내에 내장된 금속 띠에 불과하다. 하지만 안테나의 튜닝에서 마법이 일어난다.

라디오 채널을 조정하는 것처럼, RF 엔지니어는 송수신이 일어날 때 안테나가 적절한 시간에 정확한 주파수에 집중하도록 조정한다. 안테나 튜닝은 안테나의 성능을 극대화하고, 궁극적으로는 디바이스의 연결성과 성능을 강화한다.

안테나가 하나 이상일 때 RF 엔지니어는 이들 안테나가 일치단결해 동작하도록 조정해야 한다. 이를 임피던스 정합(Impedance Matching)이라고 하는데, 인접 안테나가 동일한 수준으로 데이터를 송수신해야 한다. 임피던스 정합은 네트워킹의 성능과 효율을 최적화한다.

안테나를 선택할 때 디바이스 제조업체는 증가하는 주파수 대역이나 더 얇은 금속 케이스, 사용자와 디바이스 간의 새로운 인터랙션 방법 등 끊임없이 진화하는 과제를 해결해야만 한다. 안테나 솔루션의 효율성을 극대화하는 것은 배터리 수명을 극대화하고 모두가 기대하는 더 빠른 사용자 경험을 제공하는 데 결정적인 역할을 한다.

안테나 솔루션의 동향
디바이스에 관계없이 전반적인 안테나 솔루션의 동향은 증가하는 데이터 수요를 만족하기 위해 더 많은 안테나를 탑재하는 쪽으로 흐르고 있다. 최신 와이파이 라우터가 괴물 같은 8개의 안테나를 단 에일리언 소굴처럼 생긴 이유다. 하지만 안테나가 항상 드러나 보이는 것은 아니다. 일반적인 스마트폰은 2~4개의 안테나가 있고, 베젤이 없는 최신형 스마트폰은 4~7개의 안테나를 통합한다.

이런 흐름은 이동통신부터 자동차, 와이파이까지 모든 종류의 네트워킹에서 나타나고 있다.

이동통신 네트워킹
각각의 신형 스마트폰은 안테나와 관련한 각각의 과제를 안고 있다. 보통 안테나는 휴대폰에서 귀와 입이 닿는 송수화기 근처에 배치한다. 하지만 금속 프레임, 에지 스크린, 안테나를 탑재할 수 있는 공간의 제약 등으로 스마트폰의 네트워크 연결이 힘든 과제가 된다. 제조업체는 안테나는 조심스럽게 내장해야 하고, 이들 안테나가 임피던스 정합과 같은 방법을 통해 효율적으로 동작하도록 해야 한다.

복잡성을 키우는 데는 주파수 대역의 확산도 한몫한다. 이동통신업체와 제조업체는 일종의 주파수 결합 기법(Carrier Aggregation)을 이용해 여러 주파수 대역, 즉 Carrier를 결합해 네트워크 성능을 높이는데, 이 때 여러 대역에 걸쳐 동시에 작동하는 안테나가 필요하다.

금속 케이스와 에지 스크린, 얇은 디바이스라는 문제를 해결하는 데는 ‘안테나 플렉서(Antenna Duplexer)란 기술을 사용한다. 이 기술은 주어진 숫자의 안테나로 더 많은 대역과 무선 표준을 지원한다. 관련 업계가 고성능 안테나 기술을 작고 작은 디바이스에 맞출 방법을 연구하고 있기 때문에 이 분야에서는 앞으로도 더 많은 혁신이 이루어질 것이다.

자동차 네트워킹
안테나의 혁신은 자동차 분야로 진출할 수 있는 길을 열었다. 자동차의 연결성은 GPS 위성 내비게이션부터 디지털 위성 라디오, 와이파이, 4G LTE까지 다양하며, 이 모든 연결을 안테나를 통해 이루어진다.

대부분의 자동차 안테나는 지붕 위의 상어 지느러미에 설치한다. 이동통신 안테나의 목적은 네트워크 수신 품질 및 성능과 디자인 및 스타일과 균형을 맞추는 것이다. 무인자동차의 시대가 열리면서 안테나 기술은 특히 중요한데, 낮은 지연시간은 무인자동차가 범퍼카가 되지 않기 위해 반드시 갖추어야 할 조건이다.

와이파이 네트워킹
안테나에 가장 큰 영향을 미치는 와이파이 트렌드는 역시 MU-MIMO(Multi-User Multiple-Input, Multiple-Output) 기술이다. MU-MIMO는 안테나 수의 증가보다는 훨씬 복잡한 용어이다.

MU-MIMO는 인터넷 라우터가 더 많은 안테나를 장착하고 주파수 대역의 증가없이 네트워크 용량을 확장하는 방법이다. 이 접근 방법은 통신업체가 통신탑에 일반적인 수보다 10배 많은 안테나를 추가하는 대용량 MIMO(Massive MIMO)와 비슷하다.

두 가지 방법 모두 보통은 빔 형성 기술을 결합해 신호를 사용하는 지점에 직접 전달한다. 빔 형성은 와이파이 신호를 안테나로부터 디바이스로 직접 집중시켜 신호 강도와 범위를 향상시킨다.

정말로 조그만 안테나이지만, 무선 네트워킹의 숨은 영웅이 아닐 수 없다. 집에 있건 자동차에 있건 아니면 휴대폰을 주머니에 넣고 걷고 있건 사용자가 연결되어 있도록 하는 것은 안테나이다.  editor@idg.co.kr