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그린 무선 기지국: 드라이버와 이네이블러

환경과 에너지 절약에 대한 관심이 사회 곳곳에 퍼져 있다. 연료를 많이 소비하는 차들은 눈살이 찌푸려지기 마련이다. 전자 기기들이 전기를 덜 소비하도록 설계되는 이유는 전기의 사용으로 한정된 에너지원이 고갈되기 때문이며, 온실가스로 대기가 오염될 수 있기 때문이다. 사실상 모두가 자신의 탄소배출량에 대해 의식하고 있는 듯 하다. 이동통신 네트워크 인프라도 이러한 현상에서 예외가 아니다.

글_ Matthias Feulner 텔레콤 비즈니스 매니저 / 텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments)

기술 공급자들은 전력소비를 낮추는 새로운 이네이블러를 개발하며 그린 운동에 발맞추어 왔다. 불과 얼마 전까지도 저전력 애플리케이션으로 보지 않았던 시스템의 구성품조차 이제는 필히 저전력 소비로 설계된다. 이제 회로보드와 시스템은 그린 목표를 달성해 전력 사용량을 낮추도록 설계하는 것이 일상이 되었다.

사실, 그린운동의 주도자들은 사회에 훨씬 더 많은 영향을 미쳤다. 그들은 그린 무선 기지국 세대를 가능하게 하는 신기술과 방식의 개발에 영향을 미친 것이다.

무엇이 그린운동을 이끌고 있는가?

요즘 사람들의 마음에 그린 운동이 크게 자리하게 된 데에는 이타적인 이유가 많다는 것은 확실하다. 오늘날의 에너지원은 대부분 한정되어 있다. 그리고 소비된 에너지는 환경을 오염시킨다. 그 결과, 에너지를 덜 쓰고 깨끗하게 쓰는것에 대한 폭넓은 동의가 생겨났다.

그러나 그린 운동에는 매우 실용적인 측면도 있다. 비록 그것이 이타적이기 보다 세속적이긴 하지만 그린 운동의 실용적 원동력은 그 자체만으로도 강력하다. 예컨대, 어떤 경제적 요인들이 작용하고 그 경제적 요인들이 친환경 네트워크 인프라 추세를 넘어서는 막강한 힘이 된 것이다. 사실, 비용을 줄이고 운영 마진을 개선할 여지가 있기 때문에 네트워크 서비스 공급자들에게 이 그린 운동이 크게 매력적인 것이다. 또한 그린 방식은 좋은 마케팅 스토리를 만들어 때로는 시장에서 경쟁 차별화 요소가 되기도 한다.

본질적으로 에너지 효율 강화의 탐험 대상인 그린 운동은 다음과 같은 다양한 요인에 의해 주도되고 있다.

* 정부 규제: 전세계 정부들은 에너지 사용량을 억제하고 온실가스 생산을 줄이기 위한 법률과 규제를 제정하고 있다. 미 연방정부와 미국 내 수많은 개별 주 정부들(예: 캘리포니아와 캘리포니아의 에너지위원회), 유럽위원회, 기타 다수의 정부와 규제기관들을 포함한 많은 정부 기구들과 준정부 기구들은 그린 규제와 요건을 마련해두고 있다.

* 인증: 국제표준화기구(International Organization for Standardization)는 환경관리시스템을 위해 ISO14000을 적극적으로 보급하고 있다. ISO14000은 기업과 기구가 환경에 미치는 자신들의 영향력을 최소화할 수 있는 방법을 규정한 것이다. 또한 이것은 기업이 계속해서 이를 개선하기 위해 노력해야 한다는 점을 규정하고 있다. 수 많은 정부와 기업체들은 지속가능하고 친환경적인 비즈니스 규범을 체계적으로 적용하기 위해 자신들의 비즈니스 파트너에게 ISO14000 인증 절차를 지키도록 요구하고 있다.

* 에너지 절약: 점점 늘어나는 에너지 비용은 텔레콤 네트워크 사업자 등 다수 기업체들의 장비 소유비용 개념, 이를테면 네트워크 인프라 시스템 같은 장비의 소유비용 개념을 바꾸어놓았다. 예를 등면, 최근 네트워크 사업자의 비용은 자본장비지출(capital equipment expenditures, CAPEX)과 운영지출(operating expenditures, OPEX) 사이에서 크게 변화하였다. 어떤 애널리스트들은 무선 기지국의 연간 운영비용이 이제는 거의 인수비용만큼 들 수 있으며, 대부분의 경우 모바일 네트워크는 사업자의 특정년도 에너지 소비량의 70-80%에 달한다고 예측하고 있다. 네트워크를 “더 친환경적으로” 만든다는 것은 확실히 사업자의 OPEX에 지대한 영향을 미치게 될 것이다.

* 신흥 시장: 개발도상국에서의 네트워크 증설은 서유럽과 북미 같은 선진국에서는 볼 수 없는 문제들을 맞닥뜨린다. 예를 들면, 저개발 지역에서는 전력시설망의 전기가 당연한 일이 아니다. 그 결과 아주 큰 백업 배터리를 가진 디젤 구동 발전기가 기지국에 전력을 제공하는 경우가 많다. 이런 상황에서는 기지국의 연료공급 보충과 관련 비용 및 노력이 중대한 고려사항이 된다.

* 고급 기지국 시스템: 오늘날의 기지국에서 보다 진화된 설계 개념이란 소형화를 뜻하지만, 반대로 이것은 전력 밀도와 관련된 문제를 일으킨다. 전력소비를 낮추는 것이 전력밀도 문제를 해결하는 한 가지 방법이다. 예를 들어, 복수입력/복수출력(MIMO)과 스마트안테나 같은 개념을 채택하고 있는 기지국 시스템들은 다수의 RF 트랜시버를 채택해 시스템 처리량과 신호 품질을 강화한다. 그러려면 각 신호 경로마다 더욱 작아진 범위에 맞추어 훨씬 더 전력소비를 낮추어야 한다.

그린 전력 효율의 허용

기지국 시스템에서 그린 에너지 효율은 개별 부품의 기능적 단계를 시작으로 고급 시스템 개념으로 올라가며 여러 가지 단계에서 공격을 받게 된다.

부품 전력 감소

여러 가지 부품 전력 감소 기법들의 누적 효과가 더해지면, 스마트 안테나 RF 트랜시버나 미디어 게이트웨이에서의 프로세서 팜(farm)과 관련된 고밀도 애플리케이션에서 특히 그 효과가 커질 수 있다. 최근 그린 혁명의 구체적인 사례가 여기 부품 단계에 나와 있다:

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* WiMAX나 TD-SCDMA 기지국을 위한 고급 MIMO 안테나 구성의 등장으로 인해 트랜시버당 전력 소비가 네트워크 사업자에게 중대한 관심사가 되었다. LTE도 임박해 있으며, 이것은 빔포밍 안테나를 지원하게 될 것이다. 몇 년전까지도 기지국 리시버에서 아날로그 디지털 컨버터(ADC)가 채널당 1 와트 이상 소비하는 것이 일반적이었다. 분명히 이것은 새로운 안테나 구성을 가진 시스템에서는 용인될 수 없는 일이다.

그 결과 현재 기지국에서 볼 수 있는 전형적인 ADC의 전력 소비가 크게 줄어들게 되었다(그림 1). 이러한 결과들은 ADC에서의 전력 스케일링이 전체 전력소비에 미칠 수 있는 영향을 보여주고 있다. ADC의 샘플링 속도가 감소하면 전력 스케일링이 전력 소비를 줄인다.

* 오늘날의 고성능 디지털 신호 프로세서(DSP)는 복잡한 빌트인 절전 메커니즘으로 가능하게 되었다. 부품 제작 배열이 90나노미터(nm) 아래로 떨어지기 전까지, 줄어든 트랜지스터 배열이 전력 소비의 비례적 감소로 이어지는 것이 보통의 경험법칙이었다. 안타깝게도 90nm 노드 아래의 경우는 그렇지 않다. 더 작은 프로세스 노드에서는, 트랜지스터가 오프 상태에 있을 때조차 작아진 배열로 인한 절전보다 누출 전류가 더 크다.

이 문제를 해결하기 위해서는 하나의 칩을 여러 개의 서브도메인으로 나누는 칩 아키텍처가 등장하였다. 각각의 서브도메인은 개별적으로 전원을 끌 수 있어서, 당장의 작업에 필요한 도메인들만 활성 상태로 둘 수 있다. 이렇게 하면 대기전류나 누출전류가 없어져 칩 단계에서 전력소비가 크게 줄어들게 된다.

고급 전원 관리 전략

칩 단계 기술의 그린 절전 방식 외에도, 지능적인 전원 관리로 더욱 큰 그린 효과를 만들어낼 수 있다. 지능적인 전원 관리 혁신에 대해 몇 가지 논의해보자.

동적 파워다운

회로보드에서의 동적인 파워다운 회로소자는, 그 회로소자가 현재 작동 중인 기능들을 실행할 필요가 없을 때 적합하다. 이것은 칩 단계의 전원 관리로 인한 절전 규모를 키워준다. 다음과 같은 많은 부분들에서 회로보드의 파티션을 파워다운할 수 있다:

* 예를 들면, 미디어 게이트웨이에서 고밀도 DSP 보드는 피크 로드 조건을 처리하도록 설계되는 것이 보통이다. 결과적으로, 각각의 회로보드는 어디에서든 5개의 프로세서부터 20개의 프로세서까지 가질 수 있다. 피크 로드 조건은 짧은 시간 동안에만 나타나기 때문에, 상당한 규모의 에너지 절전은 트래픽이 낮은 시간 동안, 즉, 한밤중이나 공휴일, 휴가, 또는 하루 중 네트워크 트래픽이 어떤 이유로 진정되는 어떤 시점 같은 때에 필요하지 않은 프로세서들을 동적으로 파워다운하여 얻을 수 있다. 어떤 트래픽은 예측이 가능하지만, 대부분의 경우 트래픽의 소강상태는 예기치 않다.

특히 이런 동적 파워업/파워다운 프로세스가 필요하다. 이런 종류의 동적 프로세서의 경우, 자유롭고 반응성이 높은 전원공급 컨트롤 수단은 디지털로 컨트롤하는 전원공급 계획을 실행함으로써 제공될 수 있으며, 이를 통해 강화된 진단 능력을 구현할 수 있다.

* 이와 비슷하게, 기지국을 위한 무선 프론트엔드, 특히 TDD(time-division duplex) 모드로 작동하는 기지국을 위한 무선 프론트엔드는, 필요하지 않을 때 부분적으로 정지시킬 수 있다. 예를 들면, TDD로 주로 작동하는 WiMAX 시스템의 경우, 시스템이 데이터를 받는 동안 트랜스미터를 정지시킬 수 있다.

* 적응성 전압 스케일링(Adaptive voltage scaling, AVS)은 시스템 파티션들을 동적으로 파워다운하여 에너지를 절약할 수 있는 또 다른 방식이다. AVS는 전력감소를 위한 TI의 SmartReflex™ 기술에 구현되어 있다. 본질적으로 이것은 제조 프로세스와 관련될 수 있는 부하 조건, 온도, 기기 자체의 성능 변동에 반응하여 즉각적으로 DSP 코어의 공급전압을 조정한다. 일반적으로, 시스템 전체 성능에 영향을 주지 않고 프로세서의 코어 전압을 조정함으로써 수 와트의 전력 소비를 절약할 수 있다.

전원 증폭기 변조

전원 증폭기(power amplifier, PA)는 현재까지 무선 기지국에서 전력을 가장 많이 사용하는 부품이다. 전력효율을 개선하기 위한 수 많은 연구들에서 PA가 그 타깃이 되었던 것도 당연한 일이다.

피드-포워드 PA, 도허티 PA, 디지털 사전 왜곡 같은 기능들은 최근에 등장하였다. 지금은 또 다른 유망한 기법으로 ET(envelope tracking)가 등장하였으며 이것은 곧 연구실에서 나와 상용화될 예정이다(그림 2).

ET는 표준 PA 바이어싱 체계가 실제 방사된 출력 파워에 상관없이 항상 일정한 바이어스 전압을 PA에 제공한다는 사실에 기초하고 있다. PA에 의해 조종된 전원은 트래픽 부하 조건에 의해 결정되므로, PA의 전원 출력은 최대 사용 케이스나 최대 부하 조건에 맞추어지는 것이 보통이다.

피크 트래픽 부하는 잠깐 동안만 나타나기 때문에, 이것은 PA 단계에서 커다란 전력 손실로 이어진다. PA는 항상 피크 부하를 조종할 수 있을 만큼 충분한 전력을 소비하지만, 아주 잠깐 동안만 대량의 트래픽을 운전한다. 이 문제를 해결하기 위해, ET는 어떤 상황에서든 트래픽 부하에 맞추어 PA의 전원 출력을 조정하여 PA의 전체 전력소비를 크게 감소시킨다.

시스템 단계의 그린 개념

효율적인 시스템 단계의 아키텍처 역시 무선 기지국에 상당한 규모의 전력 감소를 가져다 줄 수 있다. 예를 들어, 기존의 헤테로다인 송/수신 아키텍처에서 보다 현대적인 zero-IF 아키텍처로 전환됨에 따라 무선 신호가 바로 RF로 변환되거나 바로 RF로부터 변환될 수 있게 되었다. 직접 전환은 믹서, 신디사이저, 증폭기, 필터 같은 수 많은 IF 단계 부품을 없애준다 (그림 3). 이것은 시스템 비용도 줄여주고, 전력 소비도 줄여준다. 일정 전력을 소비하는 복수의 부품들이 제거되기 때문이다.

그 외 여러 가지 시스템 개념들도 기지국의 그린 특성을 개선시켜 줄 수 있다. 여기에는 보다 효과적인 시스템 파티션, PA 효율 강화 등이 포함된다.

이제까지 기지국 시스템은, PA를 비롯한 모든 시스템의 활성 부품들이 기지국 하부 지면에서 한 캐비닛 안에 설치되도록 구축되었다. 이런 종류의 아키텍처에서는, 기지국 캐비닛의 동축 케이블을 통해 타워 꼭대기나 기둥, 옥상 같은 높은 위치에 설치된 안테나로 증폭된 신호가 공급된다. 기지국 캐비닛과 안테나를 연결하는 20 미터나 30 미터 케이블에서의 신호 손실은 3이나 4dB가 될 수 있다. PA의 전원 출력이 이러한 손실을 보정해야 하며, 이것이 시스템 비용과 전력 소비에 더해지게 된다.

이러한 상황을 극복하기 위해서 RF 트랜시버를 안테나 가까이로 옮길 수 있으며, 기지국 시스템과 RRH(remote radio head) 둘 다 구리 케이블이 아닌 광학섬유 케이블로 연결할 수 있다. 이렇게 하면 캐비닛에서 안테나까지의 링크에서 일어나는 전력손실을 제한할 수 있고, 기지국 캐비닛과 안테나의 위치 선정을 보다 자유롭게 할 수 있다. 또한, 전력소비 감소로 인한 절감효과가 이 링크를 디지털화하는데 드는 비용을 훨씬 앞서게 될 것이다.

CFR(crest factor reduction)과 DPD(digital predistortion) 같은 PA 효율 강화요소들은, PA에서 비롯되는 전력손실은 줄이면서 신호 출력은 유지하는 방식으로 무선 기지국의 전력소비를 감소시키는 또 다른 기술들이다(그림 4). PA에서의 전력 낭비가 늘어나는 이유는 그들의 전원출력이 늘어남에 따라 그들의 게인 기능이 점점 더 비선형이 되기 때문이다. 그러므로 신호 왜곡을 피하기 위해선 PA를 피크 전원 출력에 가깝지 않은 수준으로 운용해야 한다.

WCDMA와 WiMAX 같은 와이드밴드 무선 에어 인터페이스 표준은 이 상황을 더욱 크게 가중시켰다. 13dB의 신호 peak-to-average 비율을 가질 수 있기 때문이다. 이러한 와이드밴드 에어 인터페이스에서는, 신호 피크가 대부분 평균 파워 출력보다 훨씬 더 높게 발생할 가능성이 매우 커진다. CFR과 DPD 둘 다 여러 가지 각도에서 이러한 난점을 해결해준다. CFR은 신호의 정보 콘텐츠를 왜곡하지 않고 지능적으로 신호 피크를 잘라내는 반면, DPD는 신호를 디지털적으로 사전에 왜곡시켜 PA의 비선형 게인 기능의 선형 성능을 확장시킨다. 두 강화 개념 모두 전력 손실을 줄여주고 최종 PA 단계에서 부품 비용을 줄여준다.

그린의 정착

에너지 효율 강화를 향한 그린 운동은, 오늘날 세계 경제의 다른 요소들에서처럼 네트워크 인프라에서 필수불가분한 요소이다. 전력소비를 덜 하는 무선 기지국 개발에 있어 이 문제는 개별 부품 단계부터 시작해 시스템 단계로까지 올라가며 다양한 측면들에서 다루어지고 있다.

아이씨엔 매거진 2010년 03월호

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