[최신모바일기술 #05] Spatial Multiplexing

Channel Capacity

우선 앞서 계속 SNR이 증가하면 Data Rate가 증가한다 했는데, 이는 아래의 Shannon's Channel Capacity에서 나왔다.

여기서 C는 channel capacity(bps), W는 channel bandwidth, S는 Rx Power, N은 Noise Power다. 즉 SNR은 S/N으로 나타낼 수 있는데, 이를 이해하고 다시 식을 보면 Noise가 적어야 SNR 값이 커져 C가 커질것이고, 그래야만 data rate가 증가할 것이다. 그러나 SNR 쪽은 log함수라 뒤로 갈수록 C가 크게 증가하지 않으므로, 높은 대역이 받쳐줘야만 비로소 C가 증가할 수 있다.

 

이 개념을 다음과 같이 확장할 수 있는데 이를 Channel Capacity with Spatial Multiplexing(SM) 이라 한다.

Spatial Multiplexing을 했을 때 Channel Capacity 공식으로, 만약 N_T가 같은 상황에서 N_R을 증가시킨다면 C가 증가하겠지만, N_R이 같은 상황에서 N_T를 증가시키면 효과가 없음을 알 수 있다.

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Spatial Multiplexing

spatial multiplexing은 공간을 나눠서 여러 개를 사용함으로써 data rate를 증가시키는 기술인데, 공간을 나누는 데 필수적으로 알아야 할 2가지 개념이 존재한다.

 

1. H Matrix : 채널의 특성을 행렬로 나타낸 것으로 row의 수는 Tx 안테나 수, column의 수는 Rx 안테나 수로 결정된다.

 

2. rank(H) : H에서 Linearly하게 독립적인 row 혹은 column의 최대 수로, spatial multiplexing에서 rank(H)만큼 공간이 생성된다. 이때 rank(H)의 최대값은 min{Tx 안테나 수, Rx 안테나 수} 이다.

 

이제 이 2가지로 spatial multiplexing에서 channel capacity를 최대화하는 조건을 알아보겠다.

 

1. 높은 rank(H) = Tx와 Rx 안테나의 낮은 correlation

• Tx와 Rx 사이에 장애물이 없으면 반사파가 하나도 없이 Line of Sight가 전달되어 mutual correlation이 클 것이고 rank값이 1일 확률이 높다.
• 반대로 장애물이 많으면 반사파가 생겨 안테나 사이의 mutual correlation이 작아질 것이고 rank가 1보다 커질 확률이 높다.

2. High SNR : 앞서 보았던 식처럼 SNR이 증가하면 C도 증가하는게 당연하다.

 

2번은 예상할 수 있지만, 1번은 기존 상식과 완전히 다르다. spatial multiplexing에서는 오히려 multipath fading channel이 높은 rank값을 유발하여 공간이 더 나뉘니까 좋고, Line of sight는 낮은 rank값을 유발하여 더 안좋은 것이다.

 

여기서 만약 SNR 자체가 낮은 좋지 못한 채널 상태이거나 Rank가 1일 경우 SM은 비효율적이고, 오히려 Diversity와 Beamforming같은 다중 안테나 기술이 훨씬 효과적이다.

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SU-MIMO and MU-MIMO

 

우선 Tx를 Base Station(BS), Rx를 terminal로 가정하자.

 

SU-MIMO는 Rx가 1대일 때 공간을 분할해서 Peak Data Rate를 증가시키는 기술로, Rx 입장에서 data rate가 증가하는 효과를 얻을 수 있다. 즉 이 방식은 1명이 여러 데이터를 받는다고 생각하면 된다.

 

반대로 MU-MIMO는 Rx가 여러대일 때 동일한 주파수를 가지고 공간을 분할해서 전체 throughput을 증가시키는 기술이다. 그래서 Rx 입장에서는 data rate가 증가하지 않지만, Tx 입장에서 data의 용량이 증가하므로 전체 throughput이 증가한다고 볼 수 있다. 이 방식은 Rx들을 하나로 생각하고 전송하는 원리로, 동일한 데이터를 여러 명에게 전송한다고 생각하면 된다.

 

실제로는 SU-MIMO를 더 많이 사용하고, SU-MIMO로 LTE의 data rate를 크게 향상시킬 수 있었다.

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Single-Codeword and Multi-Codeword

Single-codeword

• 하나의 MCS(Modulation + Coding Schema)를 여러 안테나들에게 병렬적으로 전송하는 방법
• 낮은 복잡도
• throughput 감소

Multi-codeword

• 각 layer에 맞게 다르게 설정한 MCS를 동시에 여러 안테나들에게 전송하는 방법
• 높은 복잡도
• 각각의 채널을 고려하여 유연성이 좋고 throughput 최대화

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FD-MIMO

FD-MIMO

 

기존 다중 안테나 기술들은 모두 2차원 평면에서 방위각(Azimuth)로만 생각했다면, FD(Full Dimension) MIMO는 고각(Elevation)으로 높이까지 고려하여 3차원으로 생각한 방식이다. 그래서 수직 방향의 고층 건물로도 신호를 집중할 수 있고 MU-MIMO에서 더 많은 사용자들이 동시에 scheduled 될 수 있다.