Massive MIMO Antenna 기술 동향

남상욱교수

남상욱 교수
(서울대학교 전기정보공학부)

최근 스마트폰, 노트북, 타블렛 등 다양한 무선기기와 VoIP, 동영상, 음악 스트리밍 서비스, 클라우드 컴퓨팅, 증강현실 등 새로운 종류의 서비스 등장으로 무선통신을 통한데이터트래픽은급격히증가하고있다는것은주지의사실이다. ITU의 예측으로는 이러한 추세는 더욱 가속화되어 2010년 대비 2020년에는 트래픽이 44배-80배 정도 증가할 것으로 예측하고 있다[그림1].

미래 트래픽 예측 (CISCO VNI Mobile, 2012)

그림1. 미래 트래픽 예측 (CISCO VNI Mobile, 2012)

이러한 트래픽의 증가를 감당하기 위하여는 넓은 주파수 대역을 확보하는 것이 필요하지만, 주파수를 확보하는 데는 한계가 있으므로 이것만으로 앞에서 언급한 트래픽의 증가문제를 해결할 수 없다. 따라서 5세대 통신에서는 셀의 크기를 더 작게 줄이고 셀의 집적도를 높임으로써 통신용량을 증가시키고자 하고 있다.

이러한 상황에서는 주변기지국이나 단말기의 간섭이 큰 문제가 될 것이며, 이를 해결해야 대역폭에서의 효율증대와 전력효율 증대를 통해 통신용량의 증대를 얻을 수 있을 것으로 보고있다. 기존 기지국 안테나의 경우, 안테나를 통해 특정 방향으로만 전파 전달하는 기초적 기능만을 수행함으로써 급변하는 무선 환경 대응에 취약하고, 안테나 특성을 재구성하는 기능이나 간섭 신호 억압기능 없으며, 높은 급전 손실률을 가지고 있다. 이는 5세대의 높은 집적도를 가지는 아주 작은 셀 구조에서는 큰 제약조건이 되며, 이를 보완하기 위하여 능동적, 재구성, 지능적 변화, 고효율, 고집적 안테나 기술이 필요하다. 이러한 안테나 기술로 최근 많은 연구가 이루어지는 분야가 massive MIMO 기술이다. 이 기술은 기본적으로 수 십-수 백 개의 안테나로 구성된 위상배열안테나를 기지국에 구현함으로써 원하는 방향으로 고이득을 얻어 링크성능(전력효율향상 및 잡음제거)을 개선하고, 공간-편파 분할 접속을 통해 전송용량을 극대화하는 기술이다[그림2].

Massive MIMO system

그림2. Massive MIMO system

Massive MIMO 안테나는 RF components를 안테나에 집적시키는 능동안테나 시스템으로 구현되며, 관련된 RF 기술을 송수신기 기술과 안테나 기술로 나누어 생각할 수 있다.  먼저송수신기기술에서는안테나에집적되는 RF 소자의 종류와 TRX의 개수가 따라 1) 수동 배열안테나, 2) 능동 배열안테나, 3) 지능형 2-D 능동배열안테나로 구분하고 [그림3], beam forming 을 어떻게 구현할 것인가에 따라 1) 아날로그 빔 형성 기법, 2) 디지털 빔 형성 기법, 3)혼성 빔 형성 기법으로 나뉘어 진다[그림4-6].

안테나에집적되는능동소자에따른분류에서수동안테나는기존의기지국안테나로한개의 TRX(송수신기)와 PA(전력증폭기)를 사용하고 PA 출력을 분배회로를 통해 각각의 안테나로 분배하면 이의 위상을 조절하여 원하는 빔을 형성하는방식이다. 능동안테나 시스템에서는 하나의 TRX에서 생성된 신호를 분배하고 이를 각각의 안테나에 집적된 PA로 증폭하고위상을조절하여처리하는방식이며, 지능형 2-D 능동배열안테나는 개개의 안테나에 TRX와 PA가 집적된 구조이다.

한편 빔 형성 방법에 따른 분류에서 아날로그 빔 형성 기법은 급전부의 위상을 조정함으로써 패턴을 형성하는 것으로 구현이 용이하고 부엽제어가 가능하지만 급전손실이 크고 다중 빔 형성이 어렵다.

디지털빔형성기법은안테나에서수신된신호를 IF/BB 로 변환한 후에 ADC를 이용하여 디지털 데이터로 변환하여 패턴을 형성하는 것으로 다중 빔의 형성이 가능하지만 고속의 ADC 와 프로세서가 요구되며, 안테나 개수가 증가함에 따라 연산 량이 기하급수적으로 증가한다. 마지막으로 혼성 빔 형성 기법에서는 위상 배열안테나를 블록화하여 구현함으로써 아날로그 빔 형성 기법과 디지털 기법을 혼합하여 사용하여 두 가지 기법의 장점을 살리면서 디지털 기법의 단점을 최소화하는 기법이다.

 

RF transceiver architecture

그림 3. RF transceiver architecture

Analog beam forming

그림 4-a. Analog beam forming

Analog beam forming

그림 4-b. Analog beam forming

Massive MIMO 안테나에서 방사소자인 안테나는 모노폴, 다이폴, 패치, 루프, 슬롯, 스파이럴, 헬릭스 등의 기본 복사소자와, 이들을 변형한 다양한 형태의 소자가 사용되고 있다. 또한 안테나 배열 시 한 종류의 안테나 소자만 배열하지 않고, 서로 다른 종류의 소자를 혼합하여 배열함으로써 안테나 간 상호결합을 최소화하여 더 우수한 성능의 배열 안테나 특성을 얻을 수 있다[그림7].배열 형태도 평면형 배열뿐만 아니라, 실린더형 배열, cube 형 배열 등이 3차원적인 배열도 사용된다. 배열 시 안테나 소자의 선택과 배열 형태는 각각의 장단점이 존재하므로 사용환경과 조건에 따라 적절히 선택하게 된다. 또한 massive MIMO 안테나를 설계함에 있어 고려할 문제로는 1) 많은 안테나가 가까운 거리에 놓이게 되어 발생하는 안테나간 mutual coupling, 2) 주어진 공간에 가능한 많은 안테나를 집적하기 위한 안테나소자의 결정 및 효과적인 배열방법, 3) 주어진 공간에서 다중 밴드를 처리할 수 있는 안테나구조 및 배열방법 등이다. 특히 안테나의 상호 결합 특성과 각 안테나에 사용되는 RF소자의 특성은 전체 배열 안테나의 안테나 패턴을 합성할 때 매우 중요한 요소이므로 정확한 상호결합 특성과 RF소자의 특성 해석 및 characterization 이 필요하며, 실제 massive MIMO 안테나 시스템을 사용할 경우, 전체 안테나 시스템의 효율적인 calibration 기술이 필요하게 된다. 또한 다중 밴드를 처리해야 할 상황에서는 안테나 간격이나 배열을 잘 선택해야만 다중 빔 합성이 가능할 것이다.

Digital beam forming

그림 5. Digital beam forming

Hybrid beam forming

그림 6. Hybrid beam forming

지금까지 massive MIMO와 관련된 RF 기술에 대하여 설명하였다. 도입부에서 언급하였듯이 massive MIMO 개념은 기존의 MIMO 개념을 극대화하기 위한 방안으로 수 십- 수 백 개의 안테나를 이용하는 MIMO 로 제안된 것이다. 관련 기술은 국방기술에서 많이 사용되어온 active phased array antenna 기술[3] 과 유사하지만, 통신용 기지국에서는 공간, 비용 면에서 효율적이며, 경제적인 massive MIMO 시스템을 구축하는 것이 요구되므로 향후 새롭게 연구할 문제들이 많고, 이러한 문제의 해결은 5세대 통신기술을 가능케 하는 주요한 열쇠 중의 하나라고 생각되므로 많은 관심이 요구된다.   @ NewMedia  Newsletter 2013012

36-port antenna cube

그림 7-a. 36-port antenna cube

36-port antenna cub

그림 7-b. 36-port antenna cub


[Reference]

[1] 2012년 11월 29일, 대한전자공학회 주최/주관 “Massive MIMO Workshop” 자료집

[2] C. Chiu et al.,” 24-port and 36 Port Antenna Cubes Suitable for Mimo Wireless Communications”, TAP, 2008

[3] Nicholas Fourikis, Advanced Array Systems, Applications and RF Technologies 1stedition, Academic Press, 2000.