[최신모바일기술 #03] Multi-Antenna Technology

Multi Antenna Technology는 송신자와 수신자측 중 한 곳 이상이 여러 안테나를 사용하여 신호 처리를 하는 기술인데, 이로 인해 전송의 퀄리티를 높일 수 있다. 이를 MIMO라고 부르기도 한다. MIMO는 좁은 의미로는 Spatial Multiplexing만 칭하고, 넓은 의미로는 Diversity, Beamforming, Spatial Multiplexing을 모두 통틀어 말하는데, 앞으로 이 3가지를 모두 공부해볼 예정이다.

 

Mutual Correlation

그 전에 우선 안테나 간의 상호 상관도를 보고 넘어가겠다.

• 안테나 간 거리가 멀어짐 : Correlation 감소
• 안테나 간 거리가 가까워짐 : Correlation 증가

여기서 이 Correlation의 값은 기술에 따라 요구치가 다르다.

• 낮은 Correlation 요구 : Diversity, Spatial Multiplexing
• 높은 Corrlation 요구 : Classical Beamforming

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Diversity

Diversity는 여러 안테나를 사용하여 동일한 정보를 다양한 경로로 전송하거나 수신하는 기법으로, 주로 무선 채널에서 fading으로 인한 신호 품질 저하를 극복하기 위해 많이 쓰이는 방법이다.

 

이때 만약 신호들의 Correlation이 높다고 하면 같이 나빠지거나 같이 좋아질 확률이 높을 것이다. 따라서 Diversity를 취하기 위해서는 Correlation을 낮춰 이러한 현상을 막아야 한다.

 

1) Receive Diversity

Receive Diversity 혹은 MRC(Maximum Ratio Combining)이라고도 불리는 이 기술은 수신(Rx)측에 여러 안테나를 두고, 신호를 수신할 때 채널의 좋은 부분에 가중치를 두고, Phase를 매칭시켜 진폭을 최대화해서 combine하는 기술이다. 여기서 안테나의 수가 증가할수록 SNR이 증가하고 Data Rate가 증가하므로 수신의 품질이 좋아진다.

예전에는 base station을 Rx로 두고 Diversity를 적용해서 Uplink로만 사용했지만, 4G 이상에서는 단말기도 안테나를 2개 설치하면서 Downlink도 가능해졌다.

 

위 그림 예시를 설명하자면 다음과 같다.

• 송신측 안테나 1개, 수신측 안테나 2개
• h1부터 h_NR은 Channel Gain(채널 특성) : 이걸로 진폭의 차이나 각도 차이를 컨트롤 가능
• w1부터 w_NR은 가중치이자 h의 켤레복소수 : 이 값을 곱해서 phase를 갖게 맞추고 진폭 최대화 가능
• 이후 combine시 각 신호의 세기가 원래 channel gain 크기의 제곱만큼 커짐

2) Transmit Diversity

Receive Diversity는 Rx측에 여러 안테나를 두어 수신했다면, Transmit Diversity는 반대로 Tx측에 여러 안테나를 두어 송신하는 방식이다. 이에 대표적인 방법으로 STTD와 SFTD를 살펴보자.

Space-Time Transmit Diversity

 

먼저 STTD는 당시 3GPP WCDMA 표준으로 채택되기도 했고, 2x1 Tx Diversity 구성에 optimal하다고 알려진 기술이었다. 시간 단위로 블럭을 만들고, 블럭 내에서 두 심볼의 순서를 교차해서  켤레복소수를 취하고 교차한 순서에서 앞쪽 심볼에만 음수를 붙여 전송하는 Alamouti 코드 방식이다.

위 그림으로 예를 들면, 심볼 s0과 s1만 따지자면 이 둘을 서로 교차해서 첫번째 안테나에서는 s0과 s1을, 두번째 안테나에서는 -s1*과 s0*를 전송하게 되는 것이다.

 

Space-Frequency Transmit Diversity

 

SFTD는 STTD에서 시간 대신 주파수를 사용한 방법으로 방식은 크게 다르지 않다. 다만 SFTD는 Serial to Parallel이 적용된 기법이라 OFDM에서 유용하게 사용할 수 있고 따라서 LTE의 표준이 되었다.

 

Beamforming과 Spatial Multiplexing은 내용이 많아 따로 집중해서 다룰 것이다.