MIMO

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1. 개요

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)는 다중 안테나를 사용하여 무선 통신의 용량과 성능을 향상시키는 기술이다. 1970년대부터 연구가 시작되어 1990년대에 공간 분할 다중 접속(SDMA) 기술과 함께 발전했으며, 2000년대 초 무선 LAN, 3G, 4G 이동 통신 네트워크의 표준으로 채택되어 상용화되었다. MIMO는 프리코딩, 공간 다중화, 다이버시티 코딩 등 다양한 기술을 활용하며, 전송 용량을 증대시키는 데 기여한다. 현재 MU-MIMO, 대규모 MIMO, 홀로그래픽 MIMO 등 기술이 발전하고 있으며, 무선 통신뿐 아니라 유선 통신, MIMO 레이더 등 다양한 분야에 응용되고 있다.

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MIMO
개요
송신기와 수신기 모두에 여러 개의 안테나가 있는 MIMO 시스템의 개략도
유형	무선 통신 기술
설명	여러 안테나를 사용하여 데이터 처리량을 늘리고 링크 안정성을 향상시키는 방법
기술적 세부 사항
목표	데이터 처리량 증가 및 링크 안정성 향상
작동 방식	다중 경로 전파 활용
핵심 기술	공간 다중화, 공간 다이버시티
장점	주파수 효율성 향상 전송 전력 감소 간섭 감소
단점	복잡한 신호 처리 채널 상태 정보 필요 안테나 간 상관성 문제
응용 분야
사용 예시	무선 LAN (IEEE 802.11n, IEEE 802.11ac, IEEE 802.11ax) 4G (LTE) 및 5G 이동 통신 전력선 통신
관련 기술
관련 기술	빔포밍 공간 분할 다중 접속 (SDMA) 협력 MIMO
표준 및 규격
관련 표준	IEEE 802.11n IEEE 802.11ac IEEE 802.11ax LTE HomePlug AV2

2. 역사

MIMO 기술의 초기 연구는 1970년대로 거슬러 올라간다. 이 시기에는 다중 채널 디지털 전송 시스템과 케이블 묶음 내 와이어 쌍 간의 간섭(누화)에 관한 연구가 진행되었다.^[5]^[6]^[7] 비록 이러한 연구들이 다중 경로 전파를 통해 여러 정보 스트림을 전송하는 것은 아니었지만, 상호 간섭을 처리하기 위한 수학적 기술은 MIMO 개발에 중요한 기반을 제공했다.

1980년대 중반, 벨 연구소의 잭 살츠(Jack Salz)는 이 연구를 더욱 발전시켜 다중 사용자 시스템을 연구했다.^[8] 그는 시분할 다중화 및 이중 편파 무선 시스템과 같이 상호 교차 결합된 선형 네트워크에서 부가적인 잡음원을 사용하는 시스템을 연구했다.

1990년대 초반에는 셀룰러 무선 네트워크의 성능 향상을 위한 방법들이 개발되었다. 공간 분할 다중 접속(SDMA)은 지향성 또는 스마트 안테나를 사용하여 동일한 기지국 범위 내에서 서로 다른 위치에 있는 사용자와 동일한 주파수로 통신하는 기술이다. 1991년 ArrayComm의 리차드 로이와 비욘 오터스텐은 SDMA 시스템을 제안했으며,^[9] 1996년에 발행된 특허는 기지국에서 수신 안테나 배열을 사용하여 다수의 원격 사용자와 통신하며 용량을 증가시키는 방법을 설명한다.

1970년 A.R. Kaye와 D.A. George, 그리고 1975년과 1976년 W. van Etten의 연구는 이 분야의 초기 아이디어로 평가받는다. 벨 연구소의 Jack Winters와 Jack Salz는 1984년과 1986년에 빔 포밍 응용에 관한 논문을 발표했다.

2. 1. 원리 고안

아로갸스와미 폴라지와 토마스 카일라트는 1993년에 MIMO를 사용한 공간 다중화(SM)의 개념을 제창했다. 1994년에는 공간 다중화에 관한 특허를 신청했으며^[70], 특히 무선 방송에서의 응용을 강조했다.

1996년, 그렉 랠리(Greg Raleigh)와 제라드 J. 포스키니는 MIMO 기술의 새로운 접근 방식을 고안하여, 링크의 처리량을 효과적으로 개선하기 위해 하나의 송신기에 여러 안테나를 설치하는 구성을 검토했다.^[71]^[72]

1998년, 벨 연구소는 MIMO 통신 시스템의 성능을 개선하는 주요 기술인 공간 다중화의 실험실 수준 프로토타입 개발에 성공했다.^[73]

2. 2. 무선 표준 및 상용화

MIMO 기술은 무선 LAN, 3G 이동 전화 네트워크, 4G 이동 전화 네트워크에 대한 표준화가 이루어졌으며 현재 널리 상업적으로 사용되고 있다.

2001년, Iospan Wireless Inc.는 MIMO와 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA) 기술(MIMO-OFDMA)을 사용한 시스템을 세계 최초로 개발하여 상용화하였다. Iospan의 기술은 다이버시티 코딩과 공간 다중화 모두를 지원했다.^[73] 2005년, Airgo Networks는 MIMO에 관한 특허를 기반으로 당시 규격 제정 중이던 IEEE 802.11n을 가장 먼저 구현했다.^[21]

2000년대 중반, 여러 회사들이 MIMO-OFDM 및 MIMO-OFDMA 기술을 채택하여 다양한 표준을 구현했다.

기술	회사	표준	비고
MIMO-OFDM	브로드컴, 인텔, 마벨 등	802.11n	2006년, 규격 확정 전 구현^[19]
MIMO-OFDMA	Beceem Communications, 삼성전자, Runcom Technologies 등	WiMAX(IEEE 802.16e)	2006년 구현^[25]

4G 시스템도 MIMO 기술을 채택했다. 연구 단계에서는 1Gbit/s의 프로토타입도 등장하고 있다.

이동 통신의 경우, 3GPP와 3GPP2의 최근 규격에서 MIMO가 채용되고 있다. 3GPP에서는 HSPA+ 및 Long Term Evolution (LTE)에서 MIMO를 도입하고 있다.^[30]^[31] 또한, 휴대 전화 환경에서 MIMO를 완전하게 지원하기 위해 [http://www.ist-mascot.org/ IST-MASCOT] 등의 연구 컨소시엄은 더욱 진보된 멀티 유저 MIMO의 개발을 제안하고 있다.

3. MIMO의 기능

MIMO 기술은 크게 프리코딩, 공간 다중화(SM), 다이버시티 코딩의 세 가지 주요 기능으로 분류된다.

프리코딩은 송신기에서 다중 스트림 빔포밍을 하거나, 모든 공간 처리를 하는 것을 의미한다.
공간 다중화는 MIMO 안테나 구성을 통해, 고속 신호를 여러 저속 스트림으로 나누어 전송하여 채널 용량을 늘리는 기술이다.
다이버시티 코딩은 송신기에 채널 정보가 없을 때, 시공간 코딩을 사용하여 신호 다이버시티를 향상시키는 기술이다.

송신기에서 채널에 대한 지식이 있다면, 공간 다중화와 프리코딩을 조합할 수 있으며, 복호의 신뢰도와의 트레이드오프에서 공간 다중화와 다이버시티 코딩을 조합할 수도 있다.

3. 1. 프리코딩 (Precoding)

프리코딩은 좁은 의미로는 멀티 스트림 빔포밍을 의미하며, 넓은 의미로는 송신기에서 일어나는 모든 공간 처리를 의미한다. (단일 스트림) 빔포밍에서는 각 송신 안테나에서 적절한 위상 및 이득 가중치를 사용하여 동일한 신호가 방출되어 수신기 입력에서 신호 전력이 최대화된다. 빔포밍의 장점은 서로 다른 안테나에서 방출되는 신호가 건설적으로 합산되도록 하여 수신 신호 이득을 증가시키고 다중 전송에 의한 페이딩 효과를 줄이는 것이다. 가시선 전파에서 빔포밍은 잘 정의된 방향 패턴을 생성한다. 그러나 기존의 빔은 주로 다중 경로 전파로 특징지어지는 셀룰러 네트워크에서 좋은 비유가 아니다. 수신기에 여러 개의 안테나가 있는 경우, 송신 빔포밍은 모든 수신 안테나에서 신호 레벨을 동시에 최대화할 수 없으며, 여러 스트림을 사용하는 프리코딩이 종종 유용하다. 프리코딩에는 송신기와 수신기에서 채널 상태 정보(CSI)에 대한 지식이 필요하다.^[34]

3. 2. 공간 다중화 (Spatial Multiplexing)

공간 다중화(SM)는 MIMO 안테나 구성을 필요로 한다. 공간 다중화에서는 고속 신호를 여러 개의 저속 스트림으로 분할하고, 각 스트림을 동일한 주파수 채널의 다른 송신 안테나에서 전송한다. 이러한 신호가 충분히 다른 공간적 특징으로 수신 안테나 배열에 도달하고 수신기가 정확한 채널 상태 정보(CSI)를 가지고 있다면, 이러한 스트림을 (거의) 병렬 채널로 분리할 수 있다. 공간 다중화는 신호 대 잡음비(SNR)가 높을 때 통신로 용량을 증가시키는 매우 강력한 기술이다.^[34] 공간 스트림의 최대 수는 송신 또는 수신 안테나 수 중 작은 값으로 제한된다. 공간 다중화는 송신기에 CSI가 없어도 사용할 수 있지만, CSI를 사용할 수 있는 경우 프리코딩과 결합될 수 있다. 공간 다중화는 또한 공간 분할 다중 접속(SDMA) 또는 다중 사용자 MIMO로 알려진 여러 수신기로의 동시 전송에도 사용될 수 있으며, 이 경우 송신기에 CSI가 필요하다.^[34]

3. 3. 다이버시티 코딩 (Diversity Coding)

다이버시티 코딩은 송신기에 채널 상태 정보가 없을 때 사용되는 기술이다. 다이버시티 방법에서는 공간 다중화와 달리 단일 스트림을 전송하지만, 시공간 코딩 기술을 사용하여 신호를 코딩한다. 신호는 전체 또는 거의 직교 코딩을 사용하여 각 송신 안테나에서 방출된다. 다이버시티 코딩은 신호 다이버시티를 향상시키기 위해 여러 안테나 링크에서 독립적인 페이딩을 활용한다. 채널에 대한 지식이 없으므로, 다이버시티 코딩에서는 빔포밍이나 배열 이득이 없다.^[34] 수신기에 약간의 채널 지식이 있는 경우 다이버시티 코딩은 공간 다중화와 결합될 수 있다.

4. MIMO의 활용 및 형태

MIMO는 셀룰러 이동통신 및 무선랜(Wi-Fi) 환경에서 중요한 기술이다. 셀룰러 이동통신에서는 셀 간 동적인 주파수 할당을 위한 공간 간섭 제거가, 무선랜(Wi-Fi) 환경에서는 AP(Access Point) 증가에 따른 공간 간섭 처리가 중요하다.^[35] 다중 수신 안테나는 주파수 손실 없이 이러한 간섭을 처리할 수 있게 한다.

다중 안테나 MIMO (단일 사용자 MIMO)는 802.11n 등 일부 표준에서 구현되었다.

MIMO는 SISO/SIMO/MISO를 특수한 경우로 포함한다.
MISO (다중 입력 단일 출력): 수신기에 단일 안테나가 있는 경우^[35]
SIMO (단일 입력 다중 출력): 송신기에 단일 안테나가 있는 경우^[35]
SISO^[36]: 송수신기 모두 여러 안테나가 없는 기존 무선 시스템
주요 단일 사용자 MIMO 기술
벨 연구소 계층 공간-시간 (BLAST)
PARC (안테나별 속도 제어)
SPARC (선택적 안테나별 속도 제어)

다중 사용자 MIMO (MU-MIMO)는 여러 사용자가 동시에 MIMO 통신을 하여 네트워크 효율성을 높이는 기술로, 3GPP LTE, WiMAX 등에서 지원된다.^[42]

협력 MIMO (Cooperative MIMO)는 여러 인접 기지국을 통해 데이터를 공동 송수신한다. 인접 기지국은 셀 간 간섭을 일으키지 않는다.^[37]

대규모 MIMO (Massive MIMO)는 기지국에 매우 많은 안테나를 배치하여 다수 사용자에게 동시 서비스를 제공한다.^[42]

4. 1. MIMO 기술의 활용 (수신기 및 송신기 입장)

MIMO 기술은 수신기 입장에서는 간섭 제거를 중심으로, 송신기 입장에서는 용량 증대를 중심으로 활용된다.

셀룰러 이동통신에서는 셀 간 원활한 동적인 주파수 할당을 위해 공간 간섭 제거가 중요하다. 무선랜(Wi-Fi) 환경에서도 AP(Access Point) 수 증가로 인해 다른 AP에서 오는 공간 간섭 처리가 중요하다. 이러한 공간 간섭은 동적 또는 위치에 적응적으로 주파수 재사용 비율을 감소시켜 처리할 수 있지만, 이는 주파수 자원 손실을 발생시킨다. 다중 수신 안테나를 사용하면 주파수 손실 없이 간섭을 처리할 수 있다. 그러나 단말기가 무선 간섭이 없는 위치에 있으면 다중 수신 안테나의 능력을 충분히 활용할 수 없다. 이를 역이용하여 무선 간섭을 발생시키면서 다른 이득을 가져오는 방법이 있다면 전체적인 성능 향상에 도움이 될 것이다. 한 가지 방법은 기지국 다중 안테나 다중 스트림 전송이다. 기지국 간 간섭이 존재하면 다중 수신 안테나는 다중 기지국 공간 간섭을 제거하고, 간섭이 없는 위치에서는 MIMO 방식으로 다중 스트림 간섭을 제거하여 용량을 증대한다.

기지국 간 또는 AP 간 간섭이 없는 경우에는 수신 안테나의 간섭 처리 기능을 기지국의 다중 안테나 다중 스트림 전송을 통한 용량 증대에 활용할 수 있다. 이렇게 하면 기지국과 단말기에 설치된 안테나 수 중 적은 수에 비례하여 이론적인 용량 증대가 가능해진다.

4. 2. 다중 안테나 유형

다중 안테나 MIMO (또는 단일 사용자 MIMO) 기술은 802.11n 제품과 같은 일부 표준에서 개발 및 구현되었다.

SISO/SIMO/MISO는 MIMO의 특수한 경우이다.
다중 입력 단일 출력(MISO)은 수신기에 단일 안테나가 있는 특수한 경우이다.^[35]
단일 입력 다중 출력(SIMO)은 송신기에 단일 안테나가 있는 특수한 경우이다.^[35]
단일 입력 단일 출력 (SISO)^[36]는 송신기와 수신기 모두 여러 안테나를 갖지 않는 기존의 무선 시스템이다.
주요 단일 사용자 MIMO 기술
벨 연구소 계층 공간-시간 (BLAST), 제라드. J. 포스키니(Gerard. J. Foschini, 1996)
안테나별 속도 제어(PARC), 바라나시, 게스(Varanasi, Guess, 1998), 정, 황, 로자노(Chung, Huang, Lozano, 2001)
선택적 안테나별 속도 제어(SPARC), 에릭슨(Ericsson, 2004)
몇 가지 제한 사항
물리적 안테나 간 간격은 크게 선택된다. 기지국에서 여러 파장. 수신기의 안테나 간 간격은 휴대폰에서 공간 제약이 심하지만, 고급 안테나 설계 및 알고리즘 기술이 논의되고 있다.

4. 3. 다중 사용자 MIMO (MU-MIMO)

MU-MIMO는 여러 사용자가 동시에 MIMO 통신을 할 수 있도록 하여 네트워크 효율성을 높이는 기술이다. 3GPP LTE, WiMAX 등 다양한 표준에서 MU-MIMO 기술을 지원하고 있다.^[42]

최근 3GPP와 WiMAX 규격에서는 삼성, 인텔, 퀄컴, 에릭슨, TI, 화웨이, 필립스, 알카텔 루슨트, 프리스케일 등 많은 기업들이 MU-MIMO를 채택 가능한 후보 기술 중 하나로 언급하고 있다. MU-MIMO는 수신 안테나가 적은 저복잡도 휴대폰에 더 적합하며, 단일 사용자 SU-MIMO의 더 높은 사용자별 처리량은 안테나가 더 많은 더 복잡한 사용자 장치에 더 적합하다.

향상된 다중 사용자 MIMO는 다음과 같은 특징을 가진다.

고급 디코딩 기술 사용
고급 프리코딩 기술 사용

SDMA는 공간 분할 다중 접속(또는 슈퍼 분할 다중 접속)을 나타내며, 여기서 "슈퍼"는 주파수 및 시간 분할과 같은 직교 분할이 사용되지 않고 중첩 코딩과 같은 비직교 접근 방식이 사용됨을 강조한다.

싱글 유저 MIMO의 스케줄링이 단독 사용자에만 할당되는 것에 반해, PU²RC(Per-User Unitary Rate Control)는 네트워크가 각 안테나를 다른 사용자에게 할당할 수 있게 한다. 네트워크는 코드북 기반 공간 빔 또는 가상 안테나를 통해 사용자 데이터를 전송할 수 있다. 공간적으로 식별 가능한 사용자와 코드북 기반 공간 빔을 페어링하는 등의 효율적인 사용자 스케줄링은 무선 네트워크의 단순화라는 관점에서 논의가 진행되고 있다. PU²RC는 IEEE 802.16m (WiMAX2)의 system description documentation (SDD)에 포함되어 있다.

4. 4. 협력 MIMO (Cooperative MIMO)

여러 인접 기지국을 사용하여 사용자와 데이터를 공동으로 송수신한다. 결과적으로 인접한 기지국은 기존의 MIMO 시스템에서와 같이 셀 간 간섭을 일으키지 않는다.^[37]

4. 5. 대규모 MIMO (Massive MIMO)

대규모 MIMO (Massive MIMO)는 기지국에 매우 많은 수의 안테나를 배치하여 다수의 사용자에게 동시에 서비스를 제공하는 기술이다.^[42] 단말기 수가 기지국 안테나 수보다 훨씬 적은 환경에서 동작한다.^[42]

풍부한 산란 환경에서 최대 전송 비율 (MRT),^[43] 최대 비율 결합 (MRC),^[44] 제로 포싱 (ZF)과 같은 간단한 빔 형성 전략을 사용하여 대규모 MIMO 시스템의 이점을 활용할 수 있다. 이러한 이점을 얻기 위해서는 정확한 채널 상태 정보 (CSI)가 필수적이다. 그러나 실제로는 채널의 간섭 시간으로 제한되는 직교 파일럿 시퀀스를 통해 송신기와 수신기 사이의 채널을 추정한다.

다중 셀 환경에서 여러 동일 채널 셀의 파일럿 시퀀스를 재사용하면 파일럿 오염이 발생하여 대규모 MIMO의 성능이 저하될 수 있다. 파일럿 오염의 영향을 완화하기 위해 제한된 교육 시퀀스에서 간단한 파일럿 할당 및 채널 추정 방법이 제안되었다.^[45] 그러나 2018년 연구에 따르면 파일럿 오염은 해결 가능하며, 안테나 수를 늘려 채널 용량을 증가시킬 수 있다.^[46]

5. MIMO 용량 증대

MIMO 기술은 기존 통신 이론에서 주파수와 전력에 의해서만 결정되던 전송 용량을 다중 안테나를 통해 공간 차원을 활용하여 증대시킨다. 기존 통신 이론에서는 전송 용량이 사용하는 주파수와 전력에 의해서만 결정되었지만, MIMO는 기지국과 단말기 안테나 수에 대한 새로운 관계식을 정의하여 용량과의 관계를 표현한다.

정보이론에 근거하여 SISO 환경과 MIMO 환경에서 용량 관계식을 개념적으로 정리하면 다음과 같다.

SISO 환경에서 달성 용량:

:

C = W \log_2 (1+SNR)

MIMO 환경에서 달성 용량 (개념식):

:

C \approx W \min(M,N) \log_2 (1+SNR)

여기서,

C: 채널 용량
W: 주파수 대역폭
SNR: 신호 대 잡음비
M: 송신 안테나 수
N: 수신 안테나 수

MIMO 환경에서 채널 상황을 알 때(폐루프)와 모를 때(개루프)의 채널 용량 관계식은 다음과 같다.

폐루프 채널 용량 (기지국에서 채널 상황을 알 때):

:

C_{CL} = E\left[\max_{\mathbf{Q}} \log_2 \left(\mathbf{I} + \mathbf{H}\mathbf{Q}\mathbf{H}^{H}\right)\right]

개루프 채널 용량 (기지국에서 채널 상황을 모를 때):

:

\quad C_{OL} = \max_{\mathbf{Q}}E\left[\log_2 \left(\mathbf{I} + \mathbf{H}\mathbf{Q}\mathbf{H}^{H}\right)\right] = E \left[\log_2 \left( \mathbf{I} + \frac{1}{M} \mathbf{H}\mathbf{H}^{H} \right) \right]

여기서,

$\mathbf{H}$ : MIMO 채널을 나타내는 행렬
$\mathbf{Q}$ : 송신 신호의 공분산 행렬
$\mathbf{I}$ : 단위 행렬
$E[]$ : 기대값 연산
$()^H$ : 켤레 전치(에르미트 전치)

C_{OL}

에서는

\mathbf{Q}

는

\frac{1}{M}\mathbf{I}

와 같은 단위 유니터리 행렬(unitary matrix)을 사용하면 최대화가 가능하다는 것이 증명되었다. 위 두 용량 관계식은 MIMO 뿐만 아니라 채널 행렬

\mathbf{H}

의 형태에 따라 MISO, SIMO, SISO의 경우 모두에 적용 가능하다.

송신기와 수신기 모두 완벽한 순간 채널 상태 정보를 갖는 MIMO 시스템의 에르고딕 채널 용량은 다음과 같다.^[51]

:

C_\mathrm{perfect-CSI} = E\left[\max_{\mathbf{Q}; \, \mbox{tr}(\mathbf{Q}) \leq 1} \log_2 \det\left(\mathbf{I} + \rho \mathbf{H}\mathbf{Q}\mathbf{H}^{H}\right)\right] = E\left[\log_2 \det\left(\mathbf{I} + \rho \mathbf{D}\mathbf{S} \mathbf{D} \right)\right]

여기서

\rho

는 송신 전력과 잡음 전력의 비율(즉, 송신 SNR)이다. 최적 신호 공분산은 채널 행렬의 특이값 분해와 워터 필링을 통해 얻을 수 있다.^[52]

송신기가 통계적인 채널 상태 정보만 있는 경우, 에르고딕 채널 용량은 감소한다.^[51]

:

C_\mathrm{statistical-CSI} = \max_{\mathbf{Q}} E\left[\log_2 \det\left(\mathbf{I} + \rho \mathbf{H}\mathbf{Q}\mathbf{H}^{H}\right)\right].

송신기가 채널 상태 정보가 없는 경우에는 다음과 같다.

:

C_\mathrm{no-CSI} = E\left[\log_2 \det\left(\mathbf{I} + \frac{\rho}{N_t}\mathbf{H}\mathbf{H}^{H}\right)\right].

채널의 통계적 특성에 따라 에르고딕 용량은 SISO 시스템의 용량보다

\min(N_t, N_r)

배 이상 커질 수 있다.

6. MIMO 통신

MIMO 통신 기술은 SISO 통신 기술을 계승하여 발전해왔으며, 스마트 안테나 기술, 다중 소자 사용 등 다양한 방향으로 확장되고 있다. 3GPP LTE (Release8), WiMAX Evolution (SDD 단계 진행) 등 MIMO-OFDM 기반 이동통신 표준에서는 SU-MIMO와 MU-MIMO를 포함한 MIMO 기술이 사용되고 있다.^[9] SU-MIMO는 한 사용자에게 기지국의 안테나 리소스 모두를 할당하는 방식이고, MU-MIMO는 다수의 사용자에게 안테나 리소스 또는 무선 공간 자원을 분배하는 방식이다.

7. 응용 분야

MIMO 기술은 무선 LAN, 3G 이동 전화 네트워크, 4G 이동 전화 네트워크에 대한 표준화가 이루어졌으며 현재 널리 상업적으로 사용되고 있다.

MIMO는 이동 통신 표준 (3GPP, 3GPP2)에서 사용된다. 3GPP의 고속 패킷 접속 플러스(HSPA+) 및 롱텀 에볼루션(LTE) 표준은 MIMO를 고려한다. 또한 셀룰러 환경을 완벽하게 지원하기 위해 IST-MASCOT을 포함한 MIMO 연구 컨소시엄은 다중 사용자 MIMO (MU-MIMO)와 같은 고급 MIMO 기술을 개발할 것을 제안한다.^[49]

직교 주파수 분할 다중화 (OFDM) 또는 직교 주파수 분할 다중 접속 (OFDMA) 변조와 결합하여 다중 경로 채널로 인해 발생하는 문제를 효율적으로 처리한다. IEEE 802.16e 표준은 MIMO-OFDMA를 통합한다. 2009년 10월에 출시된 IEEE 802.11n 표준은 MIMO-OFDM을 권장한다.

MIMO 무선 통신 아키텍처 및 처리 기술은 감지 문제에 적용할 수 있는데, 이는 MIMO 레이더라는 하위 분야에서 연구된다.

MIMO 기술은 비무선 통신 시스템에서도 사용 가능하다. 한 가지 예는 홈 네트워킹 표준 ITU-T G.9963으로, MIMO 기술을 사용하여 여러 AC 와이어(위상, 중성 및 접지)를 통해 여러 신호를 전송하는 전력선 통신 시스템을 정의한다.^[3]

세계 최초의 실용화는 2001년으로, Iospan Wireless Inc.가 MIMO와 직교 주파수 분할 다중 접속 기술(MIMO-OFDMA)을 사용한 시스템을 개발했다. 2005년, Airgo Networks는 MIMO에 관한 특허를 기반으로 IEEE 802.11n을 가장 먼저 구현했다. 2006년에는 브로드컴, 인텔, 마벨 등 여러 회사들이 MIMO-OFDM을 채택하여 802.11n을 구현했다. 같은 해, Beceem Communications, 삼성전자, Runcom Technologies 등 여러 회사들이 MIMO-OFDMA를 채택하여 WiMAX(IEEE 802.16e)를 구현했다. 향후 4G 시스템도 MIMO 기술을 채택할 예정이다.

8. MIMO 검출 및 테스트

MIMO 신호 테스트는 송신기와 수신기 시스템에 초점을 맞춘다. 부반송파 신호의 임의 위상은 증폭기를 압축시켜 일시적인 왜곡을 일으키고, 결국 심볼 오류를 유발하는 순간적인 전력 레벨을 생성할 수 있다. 높은 '''PAR''' (피크 대 평균 전력비)을 가진 신호는 전송 중에 증폭기를 예측할 수 없게 압축시킬 수 있다. OFDM 신호는 매우 동적이며 압축 문제는 잡음과 같은 특성 때문에 감지하기 어려울 수 있다.^[56]

신호 채널의 품질을 아는 것도 중요하다. 채널 에뮬레이터는 장치가 셀 가장자리에서 어떻게 작동하는지, 잡음을 추가하거나, 속도에 따라 채널이 어떻게 보이는지 시뮬레이션할 수 있다. 수신기 성능을 완전히 검증하기 위해 벡터 신호 발생기(VSG)와 같은 보정된 송신기와 채널 에뮬레이터를 사용하여 다양한 조건에서 수신기를 테스트할 수 있다. 반대로, 채널 에뮬레이터와 벡터 신호 분석기 (VSA)와 같은 보정된 수신기를 사용하여 여러 조건에서 송신기의 성능을 확인할 수 있다.

채널을 이해하면 빔 포밍을 위해 각 송신기의 위상과 진폭을 조작할 수 있다. 빔을 올바르게 형성하려면 송신기가 채널의 특성을 이해해야 한다. 이 과정을 ''채널 사운딩'' 또는 채널 추정이라고 한다. 알려진 신호를 모바일 장치로 전송하여 채널 환경을 파악할 수 있다. 모바일 장치는 채널 특성을 송신기로 다시 보낸 후, 송신기는 모바일 장치를 향해 빔을 형성하기 위해 올바른 위상 및 진폭 조정을 적용할 수 있다. 이것을 폐루프 MIMO 시스템이라고 한다.^[57]

8. 1. MIMO 검출

MIMO 통신의 기본적인 문제는 수신 벡터

\mathbf{y}

가 주어졌을 때 송신 벡터

\mathbf{x}

를 추정하는 것이다. 이는 통계적 검출 문제로 제기될 수 있으며, 영 강제^[53], 연속적 간섭 제거 ( V-BLAST) , 최대 우도 추정 및 최근의 신경망 MIMO 검출을 포함한 다양한 기술을 사용하여 해결할 수 있다.^[54] 이러한 기술은 일반적으로 채널 행렬

\mathbf{H}

가 수신기에서 알려져 있다고 가정한다. 실제 통신 시스템에서 송신기는 파일럿 신호를 전송하고 수신기는 수신 신호

Y

와 파일럿 신호

X

로부터 채널의 상태(즉,

\mathbf{H}

)를 학습한다. 최근, 딥 러닝 도구를 사용한 MIMO 검출에 대한 연구가 진행되었으며, 영 강제와 같은 다른 방법보다 더 나은 성능을 보였다.^[55]

8. 2. MIMO 테스트

MIMO 신호 테스트는 먼저 송신기/수신기 시스템에 초점을 맞춘다. 부반송파 신호의 임의 위상은 증폭기를 압축시키고, 일시적으로 왜곡을 일으키며, 결국 심볼 오류를 유발하는 순간적인 전력 레벨을 생성할 수 있다. 높은 '''PAR''' (피크 대 평균 전력비)을 가진 신호는 전송 중에 증폭기를 예측할 수 없게 압축시킬 수 있다. OFDM 신호는 매우 동적이며 압축 문제는 잡음과 같은 특성 때문에 감지하기 어려울 수 있다.^[56]

신호 채널의 품질을 아는 것도 중요하다. 채널 에뮬레이터는 장치가 셀 가장자리에서 어떻게 작동하는지 시뮬레이션하고, 잡음을 추가하거나, 속도에서 채널이 어떻게 보이는지 시뮬레이션할 수 있다. 수신기의 성능을 완전히 검증하기 위해 벡터 신호 발생기(VSG)와 같은 보정된 송신기와 채널 에뮬레이터를 사용하여 다양한 조건에서 수신기를 테스트할 수 있다. 반대로, 채널 에뮬레이터와 벡터 신호 분석기 (VSA)와 같은 보정된 수신기를 사용하여 여러 조건에서 송신기의 성능을 확인할 수 있다.

채널을 이해하면 빔을 형성하기 위해 각 송신기의 위상과 진폭을 조작할 수 있다. 빔을 올바르게 형성하려면 송신기가 채널의 특성을 이해해야 한다. 이 과정을 ''채널 사운딩'' 또는 채널 추정이라고 한다. 알려진 신호를 모바일 장치로 전송되어 채널 환경의 그림을 구축할 수 있다. 모바일 장치는 채널 특성을 송신기로 다시 보낸다. 그런 다음 송신기는 모바일 장치를 향해 빔을 형성하기 위해 올바른 위상 및 진폭 조정을 적용할 수 있다. 이것을 폐루프 MIMO 시스템이라고 한다. 빔 포밍의 경우 각 송신기의 위상과 진폭을 조정해야 한다.^[57]

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