빔포밍 기술과 MIMO

빔포밍 기술

밀리미터파는 데이터 속도를 높이는 데 유리하지만 직진성이 강하고 파장이 짧아 도달거리가 짧은 단점이 있다. 건물이 많은 지역이나 우천시 공기 중에 있는 물방울에도 영향을 받게 되어 전송속도가 느려지고 지하나 건물 고층으로 가도 영향을 받는다. 이런 밀리미터파의 취약점을 보완하기 위해 여러 가지 기술이 개발되었는데 그 중 대표적으로 빔포밍을 들 수 있다. 빔포밍기술을 사용하여 밀리미터파의 전파거리가 짧은 특성으로 인한 커버리지(이동통신 서비스를 이용할 수 있는 지역) 이슈를 어느 정도 해결하고 안테나 크기를 줄일 수 있다. 빔포밍 기술은 많은 수의 안테나의 실리는 신호를 각각 정밀하게 제어하여 특정 방향으로 에너지를 집중시키거나 또는 반대로 특정 방향으로 에너지가 나가지 않도록 조절이 가능한 기술로써 전파 에너지를 집중시켜 거리를 늘리고 빔 간에는 간섭을 최소화 시킬 수 있다. 즉 기지국 안테나가 특정한 공간에 있는 사용자 그룹을 향해 전파를 집중에서 보내는 기술이다. 안테나를 많이 사용할수록 빔의 모양이 예리해져서 에너지를 더 집중시킬 수 있으나 휴대폰이 빠르게 이동하는 경우 이렇게 예리한 빔을 계속 정확하게 추적해야 하는 것이 기술의 관건이다.

MIMO: 주파수 효율을 높이는 기술

MIMO기술은 다중 입출력이 가능한 안테나 시스템으로 한정된 주파수를 최대한 효율적으로 활용하기 위해 기지국과 단말기 간 전파를 주고받는 안테나 개수를 늘려 속도를 늘리는 기술이다. 3G에서는 기지국과 단말기 내 안테나가 1개씩 짝을 지어 데이터를 주고받았다. 이후 3GPP등 국제 표준화 단체들이 여러 안테나로 동시에 데이터를 주고 받는 MIMO기술 표준화를 성공시켜 4GLTE에서는 기지국과 단말기가 각각 네 개씩 안테나를 활용하는 4x4MIMO기술을 발전되었다. 5G핵심인 이유는 안테나의 개수에 따라 얼마든지 전송 용량, 전송 속도를 향상 시킬 수 있기 때문이다. 5G에서는 주파수가 전파되는 공간을 분할할함으로써 여러 사용자가 동시에 같은 주파수 자원은 이용하는 것을 가능하게 한다. 즉 특정한 공간에 있는 소규모의 사용자들을 하나의 그룹으로 설정하고 이들에게 전체 주파수를 할당하게 되면 상대적으로 더 적은 사용자들이 주파수 대역을 공유하게 된다. 그리고 더 빠른 통신이 가능해 지는 것이다. 사용자 그룹을 더 작게 만들 수 있다면 개별 사용자들이 가까 동시에 전체 주파수를 이용해서 통신하는 것이 가능하다. 이처럼 동일한 전파자원의 수많은 안테나 배열을 활용하여 동시에 여러 사용자 그룹을 대상으로 서비스할 수 있는 기술이다. 즉, massive MIMO 는 2D array 안테나를 기반으로 3D 빔포밍을 생성하여 공간 자유도를 최대화하는 기술이다.