MU-MIMO

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1. 개요
2. 기술
- 2.1. MIMO 브로드캐스트 (MIMO BC)
- 2.2. MIMO 다중 접속 채널 (MIMO MAC)
3. 교차 계층 MIMO
4. 다중 사용자 간 (Multi-user to multi-user)
- 4.1. 협력적 MIMO (CO-MIMO)
참조

1. 개요

MU-MIMO는 여러 사용자를 위한 공간적으로 분산된 전송 자원을 활용하는 기술이다. 기존의 단일 사용자 MIMO와 비교하여, MU-MIMO는 MIMO 시스템을 강화하며, 다운링크를 위한 MIMO 브로드캐스트 채널(MIMO BC)과 업링크를 위한 MIMO 다중 접속 채널(MIMO MAC)으로 분류된다. MIMO BC는 단일 송신기와 다중 수신기로 구성되며, MIMO MAC는 다중 송신기와 단일 수신기로 구성된다. 교차 계층 MIMO는 MIMO 링크의 성능을 향상시키기 위한 기술이며, 협력적 MIMO(CO-MIMO)는 분산된 안테나를 사용하여 무선 네트워크의 성능을 향상시키는 기술이다.

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MU-MIMO
개요
유형	다중 사용자 다중 입력 다중 출력
약자	MU-MIMO
기술 정보
설명	무선 통신에서 기지국이 여러 사용자에게 동시에 데이터를 전송할 수 있도록 하는 기술
활용	IEEE 802.11ac IEEE 802.11ax
빔포밍	빔포밍 기술을 사용하여 특정 사용자에게 신호를 집중
장점
전송 속도 향상	여러 사용자에게 동시에 데이터를 전송하여 전체 네트워크 용량 증대
효율성 증가	무선 자원 활용 효율성 향상
관련 기술
SU-MIMO	단일 사용자 다중 입력 다중 출력 (Single-User MIMO)
MIMO	다중 입력 다중 출력 (Multiple-Input Multiple-Output)

2. 기술

MU-MIMO는 여러 사용자를 공간적으로 분산된 전송 자원으로 활용하여, 약간 더 비싼 신호 처리를 필요로 한다. 이와 비교해, 전통적인 단일 사용자 MIMO는 오직 하나의 로컬 장치 멀티 안테나 규모만 고려한다. MU-MIMO 알고리즘은 사용자나 연결 수가 하나보다 더 클 때 MIMO 시스템을 강화하도록 발전되었다. MU-MIMO는 다운링크 상황을 위한 MIMO 브로드캐스트 채널(MIMO BC)과 업링크 상황을 위한 MIMO 다중 접속 채널(MIMO MAC)의 두 가지 분류로 일반화할 수 있다. 단일 사용자 MIMO는 점대점(P2P) 쌍방향 MIMO로 이야기할 수 있다.

"수신기"와 "송신기"라는 단어의 모호성을 제거하기 위해 "액세스 포인트"(AP 또는 기지국)와 "사용자"라는 용어를 사용한다. AP가 송신기라면 사용자는 다운링크 환경에서 수신자가 되며, AP가 수신기라면 사용자는 업링크 환경에서 송신자가 된다.

2. 1. MIMO 브로드캐스트 (MIMO BC)

MIMO 브로드캐스트(MIMO BC)는 단일 송신기(기지국)가 무선 네트워크 내의 여러 수신기(사용자)에게 동시에 데이터를 전송하는 방식이다. MIMO BC의 대표적인 고급 전송 처리 기술에는 간섭 인식 프리코딩 및 SDMA 기반 다운링크 사용자 스케줄링이 있다. 이러한 고급 전송 처리를 위해서는 송신기(CSIT) 측에서 채널 상태 정보를 알아야 한다.^[18] 즉, CSIT 정보를 활용하여 전송 효율(스루풋)을 높일 수 있으며, CSIT를 획득하는 방법이 매우 중요하다.

MIMO BC 시스템은 특히 송신기(AP)의 전송 안테나 수가 각 수신기(사용자)의 수신 안테나 수보다 많을 때, 점대점(P2P) MIMO 시스템에 비해 뛰어난 성능을 보인다. MIMO BC에서 사용되는 프리코딩 기술은 크게 더티 페이퍼 코딩(DPC)을 사용하는 방식과 선형(linear) 기법을 사용하는 방식^[18]으로 나눌 수 있다. 최근에는 하이브리드(아날로그, 디지털) 방식의 프리코딩 기술도 주목받고 있다.^[19]

블록 대각화된 실수 채널 행렬의 예시(기지국 8개 송신 안테나, 3개 사용자 장치)

2. 2. MIMO 다중 접속 채널 (MIMO MAC)

MU-MIMO는 여러 사용자를 공간적으로 분산된 전송 자원으로 활용할 수 있다는 장점이 있다. 반면, 기존의 단일 사용자 MIMO는 하나의 로컬 장치에서만 다중 안테나를 고려한다. 사용자나 연결 수가 하나보다 많을 때 MIMO 시스템을 강화하기 위해 MU-MIMO 알고리즘이 개발되었다.

"송신기"와 "수신기"라는 용어의 모호성을 피하기 위해 "액세스 포인트"(AP 또는 기지국)와 "사용자"라는 용어를 사용한다. AP가 송신기일 때 사용자는 다운링크 환경에서 수신자가 되며, AP가 수신기일 때 사용자는 업링크 환경에서 송신자가 된다.

MIMO 다중 접속 채널(MIMO MAC)은 여러 송신기(사용자)가 단일 수신기(AP)에게 데이터를 전송하는 무선 네트워크의 MIMO 업링크 환경을 나타낸다. MIMO MAC에서 사용되는 고급 수신 처리 기술에는 결합 간섭 제거와 SDMA 기반 업링크 사용자 스케줄링이 있다. 고급 수신 처리를 위해서는 수신기(AP)가 채널 상태 정보(CSIR)를 알아야 한다. CSIR을 아는 것은 일반적으로 송신기에서 채널 상태 정보(CSIT)를 아는 것보다 쉽지만, 각 사용자가 AP로 전송하는 전용 파일럿 때문에 많은 업링크 자원이 소모된다. MIMO MAC 시스템은 특히 AP의 수신 안테나 수가 각 사용자의 송신 안테나 수보다 많을 때 지점 간 MIMO 시스템보다 성능이 우수하다.

3. 교차 계층 MIMO

'''교차 계층 MIMO'''는 시스템에서 MIMO 구성을 사용할 때 발생할 수 있는 특정 교차 계층 문제를 해결하여 MIMO 링크의 성능을 향상시킨다. 교차 계층 기술은 SISO 링크의 성능을 향상시키는 데에도 사용될 수 있다. 교차 계층 기술에는 공동 소스-채널 코딩, 적응 변조 및 코딩(AMC, 또는 "링크 적응"), 하이브리드 ARQ(HARQ) 및 사용자 스케줄링이 있다.

4. 다중 사용자 간 (Multi-user to multi-user)

고도로 상호 연결된 무선 애드혹 네트워크는 다중 사용자 간 간섭 증가를 감수하고 무선 네트워킹의 유연성을 높인다. 간섭 내성을 향상시키기 위해 PHY/MAC 계층 프로토콜은 경쟁 기반에서 협력 기반 전송 및 수신으로 발전했다. 협력적 무선 통신은 자기 간섭 및 다른 사용자 간섭을 포함하는 간섭을 활용할 수 있다. 기존 노드는 간섭을 피하도록 지시되지만, 협력적 무선 통신에서는 각 노드가 이러한 간섭을 사용하여 데이터 인코딩 및 디코딩 성능을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 강한 간섭을 디코딩할 수 있게 되면 노드는 자체 신호를 디코딩하기 전에 강한 간섭을 디코딩하고 제거한다. 낮은 반송파 대 간섭비(CoI)의 완화는 협력 시스템의 PHY/MAC/응용 네트워크 계층에서 구현될 수 있다.

협력적 다중 안테나 연구는 다중 안테나 기술을 인접 무선 단말 간에 안테나가 분산된 상황에 적용한다. 협력 다이버시티는 각 독립 노드에 속한 분산 안테나의 협력을 통해 안테나 다이버시티 이득을 얻는 방식이다. 협력 릴레이는 협력적 신호 처리 개념을 릴레이 기술에 적용한 것으로, 지연과 성능 간의 균형 영역을 개선하는 것이 주요 목적이다. 반면 협력 다이버시티 및 MIMO는 최소한의 협력 손실을 감수하고 링크 및 시스템 성능을 개선하는 것이다. 협력을 위한 릴레이 기술로는 저장 및 전달(S&F), 증폭 및 전달(A&F), 디코딩 및 전달(D&F), 부호화된 협력, 공간 부호화된 협력, 압축 및 전달(C&F), 비직교 방식 등이 있다.

4. 1. 협력적 MIMO (CO-MIMO)

'''CO-MIMO'''는 '''네트워크 MIMO''' ('''net-MIMO''') 또는 '''애드혹 MIMO'''라고도 하며, 여러 사용자에 속한 분산 안테나를 사용하여 무선 네트워크의 성능을 향상시킨다. CO-MIMO는 다중 안테나 기술의 장점인 다이버시티, 다중화 및 빔포밍을 활용한다. 특히 다이버시티 이득을 얻는 경우를 협력적 다이버시티라고 부른다. 이는 소프트 핸드오버에서 사용되는 매크로 다이버시티의 한 형태로 볼 수 있으며, 송신기 매크로 다이버시티 또는 동시 방송에 해당한다. 간단한 형태로는 단일 주파수 네트워크(SFN)가 있으며, 이를 동적 단일 주파수 네트워크(DSFN)로 발전시킬 수 있다.

CO-MIMO는 무선 메시 네트워크나 무선 애드혹 네트워킹을 고려하는 미래 셀룰러 네트워크에 유용한 기술이다. 무선 애드혹 네트워크에서는 여러 송신 노드가 여러 수신 노드와 통신하는데, MIMO 기술을 적용하면 애드혹 채널의 용량을 최적화할 수 있다. 기존 MIMO와 달리 참여 노드와 안테나가 분산되어 있으므로, 분산 무선 자원 관리 기술이 필수적이다. 무선 네트워크 용량 최적화를 위해 인지 무선, 노드 협력, 더티 페이퍼 코딩을 사용한 네트워크 코딩 등의 전략이 제안된다.

협력적 다중 안테나 연구의 종류
* 협력 다이버시티: 각 독립 노드에 속한 분산 안테나의 협력을 통해 안테나 다이버시티 이득을 얻는다.
* 협력 MIMO: 여러 다른 노드에 속한 분산 안테나의 송신 또는 수신 협력을 사용하여 MIMO의 장점, 공간 다중화 이득 등을 얻는다.
* 협력 릴레이: 릴레이 기술에 협력적 신호 처리 개념을 적용한다. 지연과 성능 간의 균형 영역을 개선하는 것이 주요 목적이다.

참조

_[1] 논문 MIMO Broadcast Channels with Finite Rate Feedback https://dx.doi.org/1[...] IEEE Transactions on Information Theory 2006
_[2] 간행물 Shifting the MIMO Paradigm https://dx.doi.org/1[...] IEEE Signal Processing Magazine 2007
_[3] 학회 ASIC Implementation of Beamforming and SDMA for WiFi Metropolitan-Area Deployment http://ieeexplore.ie[...] Global Telecommunications Conference, 2006. GLOBECOM '06. IEEE 2006
_[4] 논문 Noncooperative Cellular Wireless with Unlimited Numbers of Base Station Antennas https://dx.doi.org/1[...] IEEE Transactions on Wireless Communications 2010-11
_[5] 저널 Massive MIMO in the UL/DL of Cellular Networks: How Many Antennas Do We Need? https://dx.doi.org/1[...] IEEE Journal on Selected Areas in Communications 2013-02
_[6] 간행물 Optimal Resource Allocation in Coordinated Multi-Cell Systems http://kth.diva-port[...] Foundations and Trends in Communications and Information Theory 2013
_[7] 저널 Zero-Forcing Methods for Downlink Spatial Multiplexing in Multi-User MIMO Channels 2004-02
_[8] 기타 A Kalman Based Hybrid Precoding for Multi-User Millimeter Wave MIMO Systems https://www.research[...] IEEE Access, 6, 55712-55722 2018
_[9] 웹사이트 Meilhac, Lisa, and Ahmad Bazzi. "Pre-coding steering matrix for MU-MIMO communication systems." U.S. Patent 10,686,500, issued June 16, 2020. https://patents.goog[...]
_[10] 서적 Beamforming in Wireless Networks http://cdn.intechope[...]
_[11] 저널 Capacity of Multi-antenna Gaussian Channels http://mars.bell-lab[...]
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