Massive MIMO 기술 및 표준화 동향

심병효 교수

심병효 교수
(서울대학교 전기정보공학부)

I. 개요

급증하는 데이터 요구량을 충족시키기 위한 방법으로써 대용량 다중입출력안테나 (massive multiple-input multiple-output: massive MIMO) 전송 기술이 최근 많은 주목을 받고 있다. 대용량 다중입출력 기술이란 다수의 안테나를 이차원 배열 구조로 집적하여 동시에 수직과 수평방향의 공간다중화를 가능하게 함으로서 동일한 전력과 주파수 자원으로 주파수 효율을 크게 향상시킬 수 있는 기술이다. 현재 3rd Generation Partnership Project (3GPP)에서는 Full-dimension MIMO (FD-MIMO) 기술이란 명칭으로 표준화를 위한 노력을 경주하고 있다. 릴리즈 13 (Release 13) LTE/LTE-A 표준에 FD-MIMO 기술을 포함시키기 위하여 study item (SI)을 통한 선행 연구를 진행하였으며 Work item (WI)을 통한 구체적인 표준화 작업을 2015년 말까지 완료 될 예정이다.

II. FD-MIMO시스템의 특징

FD-MIMO 시스템은 기존의 LTE기반의 MIMO 시스템과 비교하여 몇 가지 중요한 특징을 가지고 있다. 첫 번째 특징으로는 기지국의 송신안테나 수 N T가 기존 시스템에 비해 충분히 크다는 점이다. N T가 충분히 크며 동시에 스케줄링 되는 사용자 K보다 큰 경우 ( K < N T ), 이론적으로 서로 다른 두 개의 랜덤하게 생성된 채널의 상호상관도 (cross-correlation)는 0가 될 것이며 다중사용자 MIMO(multi-user MIMO: MU-MIMO) 전송에서 발생하는 사용자간 간섭 (inter-user interference)은 하향링크의 경우 간단한 선형 프리코더 (linear precoder)로, 상향링크의 경우 수신 결합기(receive combiner)를 사용하여 손쉽게 제거할 수 있게 된다. 하지만 실제적 상황에서는 제한된 피드백으로 인한 채널 양자화 오류 (FDD시스템의 경우), 파일럿 전송에 필요한 오버헤드의 증가 (FDD및 TDD), 그리고 파일럿의 부족으로 발생하는 파일럿 오염 (TDD시스템)등의 문제로 인해서 이론적인 시스템의 성능이 보장되기는 어렵다. 두 번째 특징으로는 이차원 구조의 안테나 배열 및 액티브 안테나 배열 (active antenna array)기술을 도입했다는 점이다. 기존의 선형 배열 안테나의 경우, 사용되는 안테나 수를 증가시키기 위해서는 수평 방향으로 더 많은 안테나를 계속 설치해야 하는데 대다수의 기지국이 건물 옥상이나 기지국 타워와 같은 제한된 공간에 설치되어 있기 때문에 이를 구현하기는 현실적으로 어렵다. 선형 안테나 배열의 경우, 64개의 안테나를 수평 (horizontally) 방향으로 배치할 경우 수 미터의 공간이 필요하지만 이차원 안테나 배열을 도입하는 경우, 수평 (horizontal)과 수직 (elevation)방향으로 안테나 수를 증가시킬 수 있기 때문에 상대적으로 적은 (1 미터 이내의) 공간만 필요하다. 이차원 배열 구조와 더불어 안테나 패널 위에 설치된 안테나 소자들에 증폭기 등의 능동소자 (active component)를 부착함으로써 각 안테나 소자에서 이득과 위상의 조절이 가능한 액티브 안테나 배열 기술을 도입하였다. 이차원 구조의 액티브 안테나를 사용함으로써 수평방향 외에도 아니라 수직방향으로도 전파의 방사를 제어할 수 있게 되었으며 3차원 빔포밍 및 다중사용자 송수신 전송을 할 수 있다. 특히, 수직 방향으로 신호를 제어하는 경우 건물 고층에 위치한 사용자나 셀의 경계에 위치한 단말에 빔포밍 이득을 추가로 얻을 수 있다.

FD-MIMO 설치 시나리오 : 매크로 셀을 위한 기지국 (건물 옥상 위에 위치)과 마이크로 셀을 위한 기지국(건물 옥상보다 아래에 위치)

그림1. FD-MIMO 설치 시나리오 : 매크로 셀을 위한 기지국 (건물 옥상 위에 위치)과 마이크로 셀을 위한 기지국(건물 옥상보다 아래에 위치)

III. FD-MIMO의 전개 시나리오

FD-MIMO 선행 연구에서는 기지국과 단말들이 서로 다른 높이에 위치하고 있는 전개 시나리오를 고려하였다. 그림 1에 도시한 바와 같이 도심에 위치한 매크로 셀에서는 송신 안테나가 옥상 위에 위치하고 있는 것을, 그리고 도심의 마이크로 셀에서는 송신 안테나들이 건물 옥상보다 아래 쪽에 위치하는 것을 가정하고 있다. 또한, 도심에서는 대다수의 단말들이 실내에 위치하고, 비교적 층마다 균등한 분포로 위치해있다고 가정한다. 각 전개 시나리오 별로 채널 전파 효과를 간단히 살펴보면 다음과 같다. 첫째, 매크로 셀 환경에서는 송신단에서 신호를 전송하는 경우 건물들의 옥상에 의한 회절현상이 수직방향 전파에서 가장 주요한 요인이 된다. 이 경우, 송신 안테나는 건물보다 높은 위치에 있기 때문에 아래 방향으로(down-tilted) 편향된 전송을 통해 단말에 신호를 전달할 수 있으며 기지국과 단말의 위치를 고려하여 각 단말에 서로 다른 하향 각으로 동시에 신호를 전달해 줄 수 있다. 둘째, 마이크로 셀의 경우, 셀의 반경이 상대적으로 매크로 셀보다 작기 때문에 LOS (line-of-sight) 채널이 자주 나타난다. 이러한 상황에서는 기지국 송신 안테나가 건물의 일반적인 높이보다 낮게 배치되기 때문에 서로 다른 층에 위치한 단말들을 동시에 스케줄링 해주기 위해 상편향 (up-tilted) 하편향 (down-tilted) 전송 모두 사용해야 한다. 수직방향으로 빔포밍을 적용할 수 있는 각도가 넓고 더 많은 LOS 채널 단말이 존재하기 때문에 다중사용자 전송관점에서 마이크로 셀이 다소 유리하다고 볼 수 있다. 두 가지 시나리오 모두 성능 이득을 얻기 위해서는 수직과 수평으로의 빔 제어가 필요하며 이를 반영한 프리코더의 설계가 표준에서 중요한 이슈가 될 것이다.

 IV. FD-MIMO의 표준화

릴리즈 13의 LTE/LTE-A 시스템에서는 2014년 후반기부터 능동소자 안테나와 대용량 다중안테나 기술이 적용된 FD-MIMO 기술에 대한 선행 연구 (study item)를 시작하였다. FD-MIMO 선행 연구의 주요 이슈는 이차원 안테나 배열구조로 최대 64개의 안테나를 지원하기 위해 필요한 LTE 표준의 핵심 요소를 파악하는 것이었다. 이러한 연구는 2015년 6월 완료되었으며 표준화를 위한 구체적인 논의는 2015년 말까지 계속될 것이다. 릴리즈 13에서는 우선적으로 최대 16개의 안테나를 지원하는 이차원 배열 구조에 대해서 우선적으로 표준화를 진행할 것으로 예상되며 향후 32개 및 64개로 안테나의 수를 확장하기 위한 연구가 지속될 것이다. 선행 연구에서 토의된 내용을 요약하면 다음과 같다.

  – 3차원 채널 모델 : 수평 방향 (azimuth direction)과 수직 방향 (elevation direction) 간의 채널 확산의 효과가 모두 반영된 3차원 채널 모델이 고려되어야 한다.

  – CSI-RS 오버헤드 감소 기법 : 송수신 장치의 안테나 수에 따라 RS의 자원의 오버헤드가 선형적으로 크게 증가하기 때문에 CSI-RS 오버헤드 감소 및 이를 위한 다중화 기법이 고려되어야 한다.

  – CSI-RS 전송 기법 : 기존에는 CSI-RS에 빔포밍 기술을 고려하지 않았지만 FD-MIMO 시스템에서는 빔포밍이 적용된 CSI-RS를 전송할 수 있기 때문에 빔포밍이 적용된 경우와 그렇지 않은 경우에 맞추어진 채널 피드백 기법이 설계되어야 한다.

이차원 안테나 배열에 적합한 채널 피드백 정보 : 기존의 LTE코드북은 단일 차원의 안테나 배열에 의한 채널만 고려하여 설계되었으나, FD-MIMO 시스템에서는 이차원 배열 안테나의 특성을 고려한 코드북 설계가 필요하다.

FD-MIMO시스템과 안테나 구성. (a)FD-MIMO시스템의 개념 (b) 2-D배열 안테나 배치 (c) 수직 혹은 수평 빔 패턴

그림2. FD-MIMO시스템과 안테나 구성. (a)FD-MIMO시스템의 개념 (b) 2-D배열 안테나 배치 (c) 수직 혹은 수평 빔 패턴

  V. 맺음말

본 고에서는 FD-MIMO 기술의 최근 표준화 방향으로 릴리즈 13 LTE/LTE-A에서 고려하는 FD-MIMO 시스템의 특징, 전개 시나리오 및 표준화 방향에 대하여 논의하였다. FD-MIMO의 중요한 특징은 많은 안테나를 사용함과 동시에 이차원 배열의 액티브 안테나를 활용하는 것이고 표준화의 중요한 특징은 많은 수의 사용자에 대해 MU-MIMO적용이 가능하도록 하는 것과 3차원 빔포밍을 지원하는 피드백을 설계하는 것이다. 이는 다양한 transceiver 구조에 기반으로 하는 CSI-RS 전송 기법과 새로운 채널 피드백 기법을 도입함으로써 가능하다. 이차원 안테나 배열에서 수직, 수평 방향으로의 빔포밍 기법이 성능향상을 위한 중요한 요소라는 것을 고려하면, 향후 릴리즈 13 표준에서 이 대한 활발한 논의가 이루어질 것이다. 또한 CSI-RS 오버헤드의 증가와 채널 추정, 피드백 복잡도 증가 없이 더 많은 안테나를 지원하기 위한 기법에 대한 연구들이 진행될 것으로 예측된다. @ New Media and Communications Newsletter 2015. 9