이동통신 5G시대의 핵심기술, MIMO를 제대로 알아보자!

 이동통신 기술이 굉장히 빠르게 발전하며서 이동통신사들이 4G를 내세우며 마케팅을 진행했던 것이 엇그제 같은데, 벌써 5G를 외치고 있다. 2017년 2월 27일부터 3월 2일까지 열리는 세계최도 이동통신 박람회인 MWC 2017에서도 5G가 그 중심에 있다. 사실 아직 5G가 상용화된 것은 아니지만, 5G에 대한 표준이 어느정도 정해졌고 관련 기술도 하나둘씩 완성단계에 있다. 그래서 오늘은 5G를 가능하게 하는 여러 기술 중 핵심기술로 알려진 Massive MIMO에 대해서 알아보려 한다. Massive MIMO는 다수의 송수신 안테나를 이용해서 수십개의 데이터채널을 만들어서 커버리지를 확장시킴으로써 수용인원에 대한 한계를 없애고 체감속도를 증가시킨다. ※ 본 포스트에 사용된 모든 그림은 제가 쓴 책에서 가져온 것입니다.

 

 

▲ 송ㆍ수신기 숫자에 따른 안테나 시스템의 분류

 

 Massive MIMO를 이해하기 위해서는 당연하게 MIMO를 이해하면 되는데, 약자를 풀어보면 Multiple Input Multiple Output으로 다중 입출력이 가능한 안테나 시스템을 말한다. 즉, 이동통신에서 기지국과 사용자 단말기에 다수의 안테나를 사용하여 다중경로로 신호를 송수신하여  간섭을 줄이고 전송용량과 전송속도를 증가시키는 기술이다. 그리고 앞에 Massive라는 수식어가 붙으면 최소 100개 이상의 안테나를 사용한다는 의미를 담는다. 이런 MIMO는 기초기술로 여러 개의 정보를 다수의 송신 안테나를 통해서 전송하여 전송속도를 향상시키는 '공간 다중화(spatial multiplexing)', 다수의 송신 안테나로 똑같은 정보를 중복 전송하고 수신 안테나에서 이들 신호를 결헙하고 오류를 제어하는 '공간 다이버시티(spatial diversity)', 안테나에서 송수신되는 전파(빔)를 원하는 방향으로 보내서 간섭을 줄이고 신호를 원하는 사용자에게 도착하게하는 '빔포밍(beamforming)'이 포함되어 있다.

▲ 사용자 수에 따른 MIMO 분류

 위 그림은 그냥 참고만 하면 되는 것인데, 쉽게 말해서 한 사용자에게 기지국의 모든 안테나 리소스를 할당하는 방식을 SU-MIMO라 하고 다수의 사용자에게 안테나 리소스 또는 무선공간자원을 분배하는 방식을 MU-MIMO다. 예상하겠지만 SU와 MU는 Single User와 Multi User의 약자이다. 보통 기술용어는 약자를 많이 사용해서 이해가 어려운 경우가 많은데, 단어를 풀어서 보면 특별한 설명이 없어도 이해가 가는 경우가 많다. 그래서 약자는 반드시 풀어서 이해하면 좋다.

▲ 공간 다중화(Spatial Multiplexing)

 서로 다른 데이터를 2개 이상의 안테나를 이용하여 각각의 경로로 동시에 전송하는 공간 다중화는 위 그림에서 보듯이 각각의 안테나가 각기 다른 경로로 데이터를 보낸다. 공간다중화 기술이 적용되면 페이딩(전파가 전파되는 과정에서 환경에 따라 신호의 세기나 위상이 변화되는 현상), 노이즈에 강해서 데이터 전송에 대한 신뢰성이 향상된다.

▲ 공간 다이버시티(Spatial Diversity)

 공간다이버시티는 공간적으로 충분히 이격된 2개 이상의 안테나를 이용하여 하나의 신호를 다중 전송하는 기술이다. 위 그림을 보면 알겠지만 같은 데이터가 2개의 송신기에서 다중으로 보내지는 것을 확인할 수 있다. 이 기술이 적용되면 안테나를 효율적으로 사용할 수 있어서 전송효율이 향상되고 더불어 전송량이 증가한다. 그리고 커버리지가 향상되는 효과도 누릴 수 있다. 참고로 다이버시티는 두 개 이상의 독립된 전파경로를 통해 전송된 여러 개의 수신신호 가운데 가장 양호한 특성을 가진 신호를 이용하는 방법을 말한다.

▲ 빔포밍(Beamforming)

빔포밍은 2개 이상의 안테나를 이용하여 가중치가 높은 신호를 각각의 안테나에서 똑같이 전송하는 것으로 무대위에서 주연배우에게 스포트라이트 조명을 비추는 것과 같은 효과를 가진다. 빔포밍은 안테나 프로세싱의 한 종류로 다중경로에에 의한 반사파 영향을 최소화 하기 때문에 통화품질이 우수하고 가입자를 증가시킬 수 있으며 원하는 방향으로 전파를 집중시킬 수 있어 단말기 측면에서 저전력 통화가 가능하게 만들어준다. 어떻게보면 스마트폰 사용자 입장에서는 배터리 효율문제와 연관되기 때문에 가장 중요하게 생각되는 기술일 것이다.

▲ 빔포밍과 적응형 안테나시스템(Adaptive antenna system)

 빔포밍과 함께 알아봐야 하는 안테나 프로세싱 기술로 적응형 안테나시스템이 있다. 가장 기초적인 빔포밍 기술은 송신 안테나가 원하는 사용자(수신 안테나)에게 전력을 집중함으로써 SINR을 높히고 좁은 빔 패턴에 의해 다른 사용자 및 다른 셀로 전해지는 간섭의 양을 낮추는 것이다. 이것을 좀더 능동적으로 원하지 않는 사용자의 방향으로는 null값을 형성해 성능을 개선할 수 있다. 여기서 더 나아가면 적응형 안테나 기술로써, 각 사용자들이 어떻게 위치하든지 그 사용자가 처한 주변환경에 맞춰서 최적의 빔 패턴을 만들어주는 것을 말한다. 즉, 적응형 안테나 시스템은 최적의 빔포밍을 할 수 있게 해주는 것으로 빔포밍기술과 적응형 안테나시스템 별개라기보다는 밀접한 연광성을 가지고 있다. 뭐~ 일각에서는 빔포밍기술과 적응형 안테나시스템을 하나로 설명하기도 한다.

 5G에서 지금까지 설명한 MIMO기술이 핵심인 이유는 안테나의 개수에 따라서 얼마든지 전송용량, 전송속도 등을 향상시킬 수 있기 때문이다. 4G까지만 해도 4개의 송신 안테나와 4개의 수신 안테나가 적용된 4X4 MIMO가 거의 최고였는데, 5G에서는 최소 100개 이상의 안테나를 사용한다고 하니 기술의 발전이 정말 놀랍다. 아직 5G 기술표준이 100% 정해진 것은 아니지만 10Gbps 이상의 전송속도를 보장해야 한다고 알려져 있는데, 이 속도 보장을 위해서 꼭 필요한 기술이 Massivs MIMO다. 참고로 8X8 MIMO의 경우 1Gbps의 전송속도를 보장할 수 있는 것으로 알려져 있다.