MIMO

1.개요

2. 다중 안테나 기술 분류

  2.1 안테나 구성에 따른 분류

     2.1.1 SISO(Single Input Single Output)

     2.1.2 SIMO(Single Input Multi Output)

     2.1.3 MISO(Multi Input Single Output)

     2.1.4 MIMO(Multi Input Multi Output)

  2.2 Open-loop MIMO 시스템과 Closed-loop MIMO 시스템

     2.2.1 Open-loop antenna 시스템

     2.2.2 Closed-loop antenna 시스템

   2.3 사용자 수에 따른 분류

       2.3.1 SU-MIMO(Single User- MIMO)

       2.3.2 MU-MIMO(Multi User- MIMO)

3. 다중안테나 주요 기술

 3.1 공간/안테나 다이버시티

    3.1.1 수신안테나 다이버시티(Receive Spatial/Antenna Diversity)

    3.1.2 송신안테나 다이버시티(전송 다이버시티, Transmit Spatial/Antenna Diversity)

  3.2 스마트 안테나(Beam-forming)

  3.3 공간 다중화(Spatial Division Multiplexing)

4. 결론

 

 

 

1.개요

 - 지금까지 한 개의 송신 안테나와 한 개의 수신 안테나를 사용했던 기존방식에서 탈피하여 다중 송신안테나와 다중 수신안테나를 채택하여 송수신 데이터 효율을 향상시킬 수 있는 방법

 - 송수신 양단에 2 이상의 안테나를 사용하여 페이딩 영향 감소, 대용량, 고속, 커버리지 증대 등의 효과를 얻는 다중 안테나 기술

 - 주파수 대역폭 및 송신 전력을 증가시키지 않아도 채널용량을 크게할 수 있음

 - 데이터 통신 확대 등으로 인해 한계 상황에 다다른 이동통신의 전송량 한계를 극복할 수 있는 차세대 기술로 관심을 모으고 있음

 - OFDM 기술을 접목할 시 고속의 전송률과 전송데이터를 대용량화 할 수 있는 멀티미디어 서비스에 이용될 수 있음

 

참조>

MIMO는 대역폭의 확장없이 물리적인 공간(다수안테나를 설치할 수 있는 공간)을 양보함으로써 고속의 데이터를 전송할 수 있습니다.

그런데 동일한 송신기에서 안테나만 달리했다고 이러한 것들이 가능할까요

이론적으로 안테나들을 공간적으로 반파장이상 이격하면 물리적으로 다른 특성을 갖고 수신할 수 있습니다.

특히 MIMO에서는 물리적 채널이 산란채널일 경우 그렇지 않은 경우보다 더 성능이 좋습니다

 

 

 

2. 다중 안테나 기술 분류

  2.1 안테나 구성에 따른 분류

     2.1.1 SISO(Single Input Single Output)

         - 단일 송신 안테나, 단일 수신 안테나

         - 안테나 다이버시티 및 공간 다중화 효과 없음

     2.1.2 SIMO(Single Input Multi Output)

         - 단일 송신 안테나, 다중 수신 안테나

         - 수신 안테나 다이버시티 효과 있음, 공간 다중화 효과 없음

     2.1.3 MISO(Multi Input Single Output)

         - 다중 송신 안테나, 단일 수신 안테나

         - 수신 안테나 다이버시티 효과 없음, 공간 다중화 효과 있음

     2.1.4 MIMO(Multi Input Multi Output)

         - 다중 송신 안테나, 다중 수신 안테나

         - 안테나 다이버시티 및 공간 다중화 효과 모두 가능

 

 

  2.2 Open-loop MIMO 시스템과 Closed-loop MIMO 시스템

     2.2.1 Open-loop antenna 시스템

           - 송신기에서 채널정보를 알지 못함

           - 다이버시티 이득, 다중화 이득을 얻을 수 있음

     2.2.2 Closed-loop antenna 시스템

          - 송신기에서 채널정보를 알고 있음

          - 수신단에서 채널의 상태를 추정하여, 송신단으로 채널 정보가중치를 귀환시켜, 송신 시 이 가중치를 이용하여 전송

          - 개루프 방식보다는 우수한 성능을 보이나 고속에서 지연발생

          - 빔포밍 이득, 다중화 이득을 얻을 수 있음

    2.3 사용자 수에 따른 분류

       2.3.1 SU-MIMO(Single User- MIMO)

             - 단일 사용자 MIMO

       2.3.2 MU-MIMO(Multi User- MIMO)

             - 다수 사용자 MIMO

 

3. 다중안테나 주요 기술

 3.1 공간/안테나 다이버시티

    - 송신, 수신측에 복수 개의 안테나(다중 안테나)를 설치하여 다이버시티 효과를 얻는 방법

    - 종류: 수신안테나 다이버시티, 송신안테나 다이버시티

 

    3.1.1 수신안테나 다이버시티(Receive Spatial/Antenna Diversity)

          - 공간적으로 충분히 이격된 2개 이상의 안테나를 이용하여 다이버시티 효과을 얻는 기법

          - 서로 다른 무선 채널을 통과한 신호를 수신하고 이중에 페이딩 영향이 적은 것을 선택하거나 합성 수신

          - 이는 전송률을 향상시키는 방법은 아님, 다이버시티 이득에 의한 전송의 신뢰도를 높이는 기술임

          - 선택형 다이버시티(복수개 안테나로 들어온 신호 중 제일 좋은 신호를 취함), EGC(Equal Gain Combining), MRC(Maximal Ratio Combining, IS-95 역방향 링크에서 사용)

 

    3.1.2 송신안테나 다이버시티(전송 다이버시티, Transmit Spatial/Antenna Diversity)

          - 송신단에서 다중안테나를 사용하여 수신 다이버시티 효과를 내도록 한 기술

          - 같은 데이터를 다중의 송신 안테나에 전송하면 송신다이버시티 효과가 있어 전송의 신뢰성이 높아지게 됨

          - 동일한 심볼을 여러 송신 안테나로 전송 시 다양한 경로를 통해 전송되므로 한 채널이 심한 페이딩을 겪어 손실되더라도 다른 경로 심볼이 전달 될 수 있으므로 무선 채널의 페이딩을 극복할 수 있음

          - 수신단에서 여러 안테나를 사용하여 다중 경로를 통해 전달된 신호들 중에 페이딩 영향이 적은 것을 취사선택하는 공간 다이버시티 기법을 단말기에 적용하기에는 크기등 한계가 있기 때문에 송신단에서 다중 안테나를 사용함

          - 하향 방향으로 많은 데이터가 보내지는 비대칭형 전송 형태에 유리

          - 알라무티 코드(Alamouti code): 가장 많이 알려진 Transmit Spatial Diversity 기술

          - Cyclic Delay Diversity(CDD):Transmitter쪽 두 개 이상의 안테나에서 같은 신호를 약간의 시간차를 두고 전송하는 것을 의미

  3.2 스마트 안테나(Beam-forming)

 

      - 스마트 안테나를 포함한 폐루프 빔포밍 기술은 송신단이 수신단에서 추정한 채널 정보를 피드백 받아 이용함

      - 폐쇄루프 빔 포밍 기술은 특정 사용자에게 RF 에너지가 집중되도록 각 안테나의 위상, 진폭의 가중값 등을 조정해주는 기술로 8×8 또는 16×16 MIMO 등이 사용됨

       - 기지국의 RF 에너지를 특정사용자에게만 향하도록 형성하면 특정 사용자에게만 송신신호 전력이 집중되므로 안테나 어레이 이득을 얻을 수 있어 수신 신호대 잡음비 향상, 타사용자에게는 간섭이 줄게되어 셀용량 증대와 셀커버리지를 크게할 수 있음

       - 빔 형성 방법에 따라 스위치 빔 어레이 안테나(Switched Beam Array Antenna), 적응 어레이 안테나(Adaptive Array Antenna)가 있음

          가. Switched Beam Array Antenna

             - 미리 정해진 유한 개의 안테나 빔 패턴 중에 수신 전력에 따라 최고의 성능을 줄 수 있는 빔 패턴을 선택 수신하는 방식

          나. Adaptive Array Antenna

             - 실시간으로 조정되는 무한 개의 빔 패턴을 적응적으로 이용

          

  3.3 공간 다중화(Spatial Division Multiplexing)

      - 송신 안테나의 개수 만큼 심볼을 병렬 전송 할 수 있기 때문에 전력과 주파수 대역을 증가시키지 않으면서 최대 송신 안테나의 개수만큼 전송률을 증대시킬 수 있음

      - 송신 안테나의 개수만큼 데이터 전송 정보의 양을 늘릴 수 있다는 장점이 있으나 채널의 페이딩 현상에 취약하여 비트 오차 확률이 증가하는 문제점이 있음

      - 전송 다이버시티나 Beam forming은 수신 신호의 품질을 좋게 만들어 주는 것이 그 목적이었으나 SDM은 수신 품질은 그대로지만 전송 capacity를 늘리는 것이 목적

4. 결론

 - MIMO 기술이 기존 시스템에 잘 적용되기 위해서는 채널 상황에 따라 적절한 변조 방식, 전력 등과 같은 무선 자원의 이용, 시공간 부호화에 대한 연구가 있어야 함

 - MIMO기술은 이동 통신 단말과 중계기등에서 폭넓게 사용할 수 있는 다중안테나 기술로 무선 인터넷의 확대 등으로 인해 한계 상황에 다다른 이동통신의 전송량 한계를 극복할 수 있는 차세대 기술로 관심을 모으고 있음

 - MIMO 기술은 제한된 주파수와 전력 환경에서 고속 데이터를 전송할 수 있는 핵심기술로 4G, WLAN, WiMAX등에 폭넓게 사용될 예정임

 - 향후 인접한 셀에 위치한 기지국과 상호 협력을 통해 셀 경계에 위치한 사용자에게 고품질의 서비스를 제공하기 위한 Cooperative MIMO 시스템도 LTE-Advanced에서 적용 예정임

 

 

<References>

http://edu.tta.or.kr/upload/22/sub/3%C0%E5_%C1%B6%BA%C0%BF%AD%20-%2003_MIMOforLTE.pdf

http://www.whydsp.org/210

http://www.ktword.co.kr/abbr_view.php?id=777&m_temp1=2863&nav=2

http://www.dailywireless.org/2010/05/13/mimo-the-paper-war/

http://ytd2525.files.wordpress.com/2012/09/106767244-lte-tdd-system-multiple-antenna-techniques-mimo-and-beamforming.pdf

http://www.mpirical.com/blog/article/156

http://www.agilent.com/about/newsroom/tmnews/background/N5106A/