번외. mmWave, MIMO, and Beamforming

이번 글에서는 5G 이동통신 mmWave, MIMO(Multiple Input Multiple Output), Beamforming에 대해 살펴보겠습니다.

 

현재 주로 사용하고 있는 4G LTE 서비스는 최대 1Gbps의 빠른 통신 속도를 제공합니다. 그래서 초고속 인터넷이나 고화질 동영상 서비스를 제공하는 것이 가능합니다만, 속도가 빠르다고 해서 다양한 응용 서비스를 모두 제공할 수 있는 것은 아닙니다. 예를 들어, 자율 주행차나 스마트 공장에서 사용되는 로봇들처럼 반응속도가 빨라야하는 서비스에서는 지연이 매우낮아야합니다. 또한 스마트 시키와 같은 사물 인터넷 서비스를 제공하기 위해서는 하나의 이동 통신 기지국에서 수만개에서 수십만개 이상의 디바이스를 수용할 수 있어야합니다.

4G 서비스에서 이와 같은 서비스를 제공하는데에는 여러가지 제약이 따릅니다. 즉 다양한 이동통신 서비스 요구의 폭발적인 증가가 기존 6GHz 이하의 대역의 스펙트럼 효율성과 용량 증대만으로는 이를 만족시킬 수 없었습니다.

 

그래서 5G가 등장합니다. 

하나의 단일한 통신망을 통해 다양한 특성을 갖는 여러 종류의 서비스를 서비스 품질을 보장하면서 동시에 제공하는 것입니다. 즉 현재 4G보다 통신 속도도 빨라지면서 다수의 디바이스 접속 및 데이터 전송과정에서의 지연도 아주 낮게 유지할 수 있으며 개별 서비스가 요구하는 품질 수준을 만족할 수 있는 통신기술인 것입니다. 

 

5G 서비스에는 증강 현실, 확장현실 등 대용량 멀티미디어 서비스를 가능하게 합니다.

무선 통신에서 이렇듯 통신 속도를 결정하는 가장 핵심적인 요소는 주파수 대역폭입니다. 이동 통신은 아주 단순히 말하면 전파를 이용해 신호를 송수신하는 기술이기 때문입니다. 그래서 주파수의 이야기를 하지 않고 넘어갈 수 는 없는 것 값습니다.

 

5G에서는 3.5 Ghz 대역과 28 Ghz 대역의 주파수 대역을 이용하는데, 특히 mmWave 라고 물리는 28Ghz 대역을 집중할 필요가 있습니다.

 

mmWave는 28Ghz 이상의 고대역 주파수입니다. 

 

 

5G에서는 사용 주파수 대역에 따라 네트워크의 구조 및 서비스 특성도 달라지는데 3.5 Ghz 대역은 기존의 3G나 4G 서비스에 사용되는 주파수 대역과 가깝게 위치하기 때문에 비교적 큰 통신 반경을 제공하는 셀을 구축하는데 이용되지만 28Ghz 대역은 통신 반경이 수백 미터 이내의 소규모 마이크로 셀을 구축하는데 이용이 됩니다. 특히 28GHz 대역을 이용하는 경우 더 빠른 통신 속도를 제공할 수 있습니다.

 

그런데 사실 mmWave는 이제껏 이동 통신에 쓰이지 않았습니다. 이처럼 넓은 대역폭과 빠른 전송이 가능한 mmWave를 이동통신에 활용하지 않았던데에는 어떤 이유가 있었을까요? 

 

핵심적인 이유는 주파수의 특성에 있습니다.

주파수는 긴 파장을 가질 수록 장애물을 피하거나 관통하는 성질이 강합니다. 쉽게 말해 방송숙 송신 안테나가 없더라도 멀리 떨어진 곳에서 FM 라디오나 AM 라이도 신호를 수신 할 수 있을 만큼 멀리 전파가 됩니다. 그렇게 하더라도 품질이 크게 떨어지지 않습니다.

 

그런데 주파수 대역이 높아지고 파장이 짧아질 수록 전파의 도달거리는 짧아지고 벽과 같은 장애물을 만났을 때 반사되어 신호가 잘 전달되지 않습니다. 이를 해결하는 방법은 기지국을 많이, 더 많이 설치하는 것입니다. 이를 통해 도달 범위를 넓히는 것입니다. 

 

mmWave는 파장이 극도로 짧아 많은 정보를 빠르게 저장할 수 있다는 장점이 있지만, 전파 도달 거리가 매우 짧고 건축자재나 날씨 같은 환경에 영향을 받습니다. 이러한 단점들에도 mmWave를 이동통신에 쓰려는 이유는 무엇일까요?

 

주파수 자원의 한계 때문입니다. 지금 많은 이들이 무선 데이터를 쓰고 있는 IOT 및 데이터의 폭증이 일어나고 있습니다. 

문제는 많은 무선 장치가 연결될 수록 한정된 주파수 자원안에서 데이터를 전송할 수 있는 망의 한계는 이미 예견되어 있습니다. 그렇기에 더 많은 주파수 자원을 확보해야합니다. 

 

mmWave의 장점도 존재합니다. 파장이 짧아 안테나 및 기기의 소형, 경량화가 가능합니다. 또한 여유 있는 대역폭으로 정보량을 대량으로 전송할 수도 있습니다. 무엇보다도 파장이 짧기 때문에 이전보다 동일한 양의 데이터를 훨씬 더 빠르게 전송할 수 있습니다.

 

이러한 mmWave를 위해 MIMO, Beamforming 기술이 해결책으로 등장합니다.

 

사실 이동통신 기지국에서 특정한 방향으로 전파를 쏘더라도 여러 사용자들이 동시에 동일한 신호를 받을 수 밖에 없는 구조였습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 사용자별로 시간대를 할당하거나 주파수 특성을 변형하는 식으로 통신을 했습니다. 겉으로 보기에는 마치 여러 사용자들이 동시에 서비스를 이용하는 것처럼 보이기는 하지만, 사실상 제한된 무선 자원을 나누어 써야 하기 때문에 통신 속도가 떨어질 수 밖에 없었습니다.

 

반면, 5G에서는 주파수가 전파되는 공간을 분할함으로써 여러 사용자가 동시에 같은 주파수 자원을 이용하는 것을 가능하게 합니다.

즉, 특정한 공간 에 있는 소규모의 사용자들을 하나의 그룹으로 설정하고 이들에게 전체 주파수를 할당하게 되면 상대적으로 더 적은 사용자들이 주파수 대역을 공유 하게 되므로 더 빠른 통신이 가능해지는 것입니다. 이 때 그 옆에 있는 다른 사용자 그룹도 동일한 주파수 대역을 이용해서 이웃 사용자 그룹에 대한 간섭 없이 통신을 하는 것이 가능해집니다. 만약, 사용자 그룹을 더 작게 만들 수 있다면 개별 사용자들이 각각 동시에 전체 주파수를 이용해서 통신하는 것도 가능해질 것입니다. 이처럼 동일한 전파 자원을 동시에 여러 사용자 그룹을 대상으로 서비스 할 수 있도록 하는 것을 두고 Massive MIMO(Multi-Input Multi-Output)이라고 하며, 이를 가능하게 하는 것이 빔포밍(Beam Forming) 기술입니다. 즉, 빔포밍은 기지국 안테나가 특정한 공 간에 있는 사용자 그룹을 향해 전파를 집중해서 조 사하는 기술을 말합니다.

 

 

빔포밍 (Beamforming)

모바일 기기와 네트워크 기지국 양쪽에서 안테나 여러개로 공급되는 신호의 진폭과 위상을 변화시켜 특정 방향으로 무선신호를 집중시키는 기술입니다. 즉 전파를 특정 위치로 집중해 빔을 만들어 효율을 높이는 기술입니다.

 

간단히 말해보면, 원래 안테나를 통해 전파를 쏘면 앞면을 따라 이동을 할 것입니다. 그런데 안테나를 여러개 합쳐서 쏘면, 또 Amplitude나 Phase 를 잘 섞으면 방향성 있게 직선 방향으로 전달이 되는 것입니다. 

 

이렇게 신호를 집중시킴으로써 송출 전력을 증폭하지 않으면서 수신기에 전달되는 신호를 잘 잡을 수 있습니다. 이렇게되면 통신 주파수가 빔 모양으로 만들어지게 되며 빔을 형성하는 것이 기술의 이름이 된 것입니다.

 

빔포밍에는 3가지 종류가 있습니다.

이는 어디서 빔포밍을 Process 하는가에 따라서 달라집니다. 

 

• Analog Beamforming

 

먼저 아날로그 빔포밍은 아날로그 시그널을 빔포밍 프로세스 하겠다는 것입니다.

 

DAC를 통해 디지털  데이터를 아날로그 시그널로 바꾼 후 PA로 증폭시켜 빔포밍 프로세스로 들어가게 합니다.

 

 

• Digital Beamforming

디지털 빔포밍도 마찬가지입니다.

디지털 시그널을 빔포밍 프로세스하겠다는 것인데, 아날로그 빔포밍보다는 꽤 복잡해보입니다.

디지털 시그널이 빔포밍 프로세스를 거쳐 나온 후, 그 디지털 데이터들을 여러개의 DAC로 보내고, 이를 아날로그 시그널로 변환하고 PA를 거쳐 증폭시킵니다.

여기서 잠깐 Analog Beamforming과 Digital Beamforming을 정리해보겠습니다.

우선 Analog Beamforming은 단순합니다. 그렇기 때문에 비용과 power issue가 적습니다. 그에 비해 Digital Beamforming은 복잡하며 비용과 power issue가 높습니다.

 

그러나 Beamforming을 만들 때, 빔을 한 사람에게 한번만 , 동시에 다른 사람들에게도 쏘게 하느냐를 봤을 때 당연히 후자가 advanced된 기술이라고 할 수 있습니다. 이를 가능하도록 하기 위해서는 Analog Beamforming으로는 불가능합니다. Analog Beamforming은 하나의 빔만 만들 수 있기 때문입니다. Digital Beamforming의 경우 여러개의 user 데이터가 들어와도 여러명의 사용자에 대한 프로세스가 가능합니다. (DAC와 PA 여러개임)

 

그런데 보통의 회사들이 mmWave를 사용할 때에는 Analog Beamforming 방식을 사용합니다.

왜일까요?  power issue 때문입니다.

mmWave는 주파수 대역이 높은 반면 멀리나갈 수 없습니다. 즉 coverage를 높이기 위해서는 power를 높게 써야하는데, Digital Beamforming은 여러개의 PA가 있기 때문에 큰 power issue가 있습니다..

 

mmWave 를 Analog Beamforming 방식으로 사용한다는 것은, 동시에 여러명에게 전송하 것은 불가능하다는 것을 의미하는데요,

그렇다면 좋은 방법이 없을까요?

 

그래서 등장한 것이 Hybrid Beamforming 입니다.

 

• Hybrid Beamforming

디지털 시그널이 빔포밍 프로세스를 거쳐 나온 후, 그 디지털 데이터들을 여러개의 DAC로 보내고, 이를 아날로그 시그널로 변환하고 PA를 거쳐 증폭시킵니다. 그런데 그 이후에 single beam을 만들어주는 Process 가 있습니다. 즉 Digital Beamforming에서 PA가 문제였기 때문에 이를 줄이기 위한 방법을 채택한 것입니다.

 

 

 

빔포밍을 이용하면 5G 기지국 안테나는 사용자의 위치를 파악한 뒤 사용자가 가진 단말에 주파수를 집중적으로 쏩니다. 또한 사용자가 길을 걸어가는 중이나 건물 내 이동을 하더라도 요건을 충족하는 하나하나의 단말기를 목표로 하는 주파수를 잘 수신할 수 있게됩니다. 특정 방향으로 전파를 몰아주고, 필요없는 부분에는 전파를 상쇄시킵니다. 

 

5G 기술에서 쓰이는 빔포밍은 대용량 MIMO 시스템의 안테나를 통해 3D 빔포밍 형태는 갖출 수 있습니다. 그동안 1,2 차원에 그쳤던 빔포밍의 형태는 3차원으로 발전함으로써 단말의 위치를 더 정확히 파악할 수 있습니다.

 

 

 

 

MIMO (Multiple Input Multiple Output)

 

다중 입출력을 뜻하는 MIMO는 다중 안테나 기술이라고도 불리며 기지국과 단말기가 여러 안테나를 이용해 안테나 수가 늘어남에 따라 통신할 수 있는 용량, 데이터 전송량을 높이는 기술입니다. 따라서 이동 통신에서 채널 손실과 사용자 간의 간섭을 최소화할 수 있는 기술입니다.

 

안테나를 왜 여러개 쓰는지 궁금하실 수도 있을 것 같습니다.

그러나 이유는 단순합니다. 안테나를 여러개 썼더니 전송속도가 증가하고, 에러 발생 활률이 줄어들더라는 거죠.

 

MIMO 기술을 통해 얻을 수 있는 2가지에 대해 알아보겠습니다.

 

먼저 Spatial Diversity입니다.

이는 다수의 송신 안테나로 똑같은 정보를 여러번 전송해서 오류를 제어하는 것입니다.

 

그 다음은 Spatial Multiflexing 입니다.

이는 다수의 송신 안테나를 통해 여러 개의 정보를 전송하여 전송속도를 향상시키는 기술입니다.

 

Massive MIMO

 

기지국에서 수십 - 수백 개의 안테나를 장착해서 속도를 엄청나게 끌어올리는 기술입니다.

기지국에 장착된 안테나들이 동시에 전파를 송수신하는 빔을 형성해 전파 도달 범위 내 이용자에게 데이터를 전달하는 방식입니다.