Beamforming 이란 무엇인가?

Beamforming(빔포밍)이란 Radio를 길게 만들어 원하는 방향으로 집중시켜 나아가게 하는 기술이다. Beamforming은 5G에서 새로 등장한 기술이며, 기본적으로 massive MIMO가 뒷받침되어야 하는 기술이다. 안테나에서 Radio가 방사(Radiating)하는 모습은 동그란 모양이다. 이 경우는, 주변의 많은 사용자들을 커버할 수 있지만, 5G에서는 고주파를 사용하기 때문에 커버리지가 작아질 수밖에 없다. 

 

Massive MIMO와 Beamforming의 관계

 

여러개의 안테나를 조합하면, 기다란 모양의 Beam의 형상을 가진 Radio(Main Lobe)가 방사될 수 있고, 안테나를 많이 사용할수록 더 길어진 형상을 가지게 된다. Radio는 같은 위상의 Radio끼리는 +가 되고(보강), 반대 위상끼리는 -가 되는 성질(상쇄)이 있다. 이 성질을 활용하면, 내가 원하는 방향으로는 보강되고, 아닌 방향으로는 상쇄되게 설계를 하면 Radio를 원하는 방향으로 집중시킬 수 있다. 

 

완벽히 깔끔한 Beam을 만들기는 어렵기 때문에 우리가 원하는 Beam인 가장 큰 주엽(Main Lobe)과 그 외의 원하지 않는 Radio인 측엽(Side Lobe)가 생성된다. 대부분 Side lobe를 제거하려고 노력하지만 이를 절묘하게 활용하기도 한다. 무대 위의 Spotlight와 비슷한 형상이라고 생각하면 간단하며, 이런 성질을 통해 간섭 없는 High Quality의 데이터를 더 멀리 보낼 수 있다는 것이 Beamforming의 큰 장점이다.

 

출처 : metaswitch

 

5G의 Beam의 폭은 매우 좁기 때문에 1개의 Beam은 1개의 UE(User Equipment)에만 할당될 수 있다. 즉, 여러 사용자를 커버하기 위해서는 Beam을 그만큼 많이 만들어내야 한다. 즉, 안테나를 많이 사용해야 하기 때문에 Massive MIMO가 가능해야 Beamforming도 가능하다. 그렇게 되면, 사용자의 움직임에 따라 Beam도 따라 움직일 것이고, 사용자들은 나만의 Beam이 있다고 느낄 수 있다. 

 

CRS(Cell Reference Signal)와 SSB(Synchronization Signal Block)

LTE에서는 UE가 Cell안에 들어오면, BS(Base Station, 기지국)과 통신을 하기 위해서는 그 BS가 어떤 cell에 존재하는 것인지 알아야 한다. 그때, BS가 Cell에 대한 번지수를 담은 신호를 주변에 계속 보내는데, 그 신호가 CRS(Cell Reference Signal)이다. UE는 CRS를 통해 어떤 cell에 속해 있는지 알 수 있고, 다른 Cell로 이동하면 다시 CRS를 수신하여 Cell 번지를 알 수 있다.

 

5G에서는 Cell이 매우 좁아지기도 하고, Beam의 개념을 사용하기 때문에 CRS보다 더 좁은 번지수인 Beam의 번지수를 알아야 한다. SSB(Synchronization Signal Block)는 5G에서 새로 등장한 개념이며, 같은 Cell내에서 다른 Beam을 사용하기 때문에 UE가 어떤 Beam을 사용하는지 알 수 있는 신호이다. 만약 더 High Quality의 Beam을 만나거나 Beam과 거리가 멀어져 다른 Beam과 의 연결이 필요할 때 SSB를 수신하여 파악하게 된다.