Massive MIMO란 무엇인가?

Massive MIMO(Multi-Input Multi-Output)는 5G에서 새롭게 등장한 기술로, 간단하게 안테나를 많이 사용하겠다는 의미이다. 굳이 안테나를 많이 사용하려고 하는 기술을 왜 사용하려고 하는 건지 의문이 들 것이다. 주파수 Spectrum은 유한한 Resource이기 때문에, 원하는 주파수 대역을 사용하려면 주파수 경매에서 낙찰받아야 한다.

 

하지만, 주파수 경매가는 점점 상승하고 있으며, 낙찰받았다고 해도 영원히 소유하지 못하고 일정 기간이 지나면 다시 반납하여 재경매를 진행해야 한다. Operator 입장에서는 굉장히 투자금액도 많이 필요하고, 원한다고 해서 더 많은 주파수를 사용할 수 있는 것이 아니다. 

 

낙찰받은 주파수 Spectrum을 활용하여 가장 효율적으로 데이터를 송수신할 수 있는 방법을 고민하였고, 그래서 나온 기술이 MIMO이다. 어떻게 보면 안테나만 여러개 만들면 된다고 생각할 수도 있지만, 각 안테나 간, 송수신단 사이의 데이터 처리 프로세싱이 매우 중요하다.

 

MIMO와 Massive MIMO의 차이

MIMO는 LTE에서도 이미 존재했던 기술이지만, massive MIMO는 5G부터 등장하였다. 그 이유는 mmWave의 등장과도 관련이 있다. Wavelength는 주파수와 반비례 관계를 가지고 있기 때문에 고주파를 사용한다는 의미는 파장이 짧아진다는 의미이다. 안테나의 길이와 Wavelength는 하단과 같은 관계를 가지고 있다.

 

• Dipole Antenna = Wavelength/2
• Resonant Antenna = Wavelength/4

어렵게 생각할 것 없이, Wavelength가 짧을 수록 작은 안테나를 만들 수 있고, Wavelength를 짧게 하려면 고주파를 사용하면 된다는 것이다. Wavelength가 10mm부터인 mmWave기준으로 Dipole Antenna는 5mm밖에 되지 않는다.

 

LTE에서의 MIMO는 2x2, 4x4와 같이 안테나의 수량을 많게 사용하지 않았지만, massive MIMO는 64x64, 128x128과 같이 massive한 개수를 사용하기 때문에 안테나의 크기가 매우 커지게 된다. 만약 2.4 GHz 대역을 사용했을 때 안테나의 길이를 구해보자.

 

• wavelength = C/frequency = 3*10^8(m/s)/2.4*10^9(Hz) = 3*10 = 30m 
• Resonant Antenna length = Wavelength/4 = 30m/4 = 7.5m

7.5m의 안테나가 64개, 128개씩 있으면 건물 하나를 안테나로 만들어야 할 수도 있기 때문에 LTE에서는 사용할 수 없는 기술이다. 하지만 mmWave를 사용하는 5G의 경우에는 손바닥만하게 만들 수 있다. 또한 massive MIMO를 이용하면 고주파의 단점인 좁은 커버리지의 문제를 해결해줄 Beamforming이 가능하게 해 준다. Beamforming에 대해서는 추후 다시 언급할 것이다. 

 

 

출처 : Scientific Figure on ResearchGate

 

MIMO의 Transmission Mode

MIMO를 활용하여 데이터를 전송하는 방법은 2가지가 있다. 첫번째는, 데이터를 각 안테나에 나눠서 전송하는 공간 다중화(Spatial Multiplexing) 기법이다. Spatial Multiplexing은 데이터를 나눠서 전송하기 때문에 처리시간이 짧지만, Radio 환경이 매우 좋아야 한다. 안테나 중 하나에서 데이터의 손상이 발생한다면, 데이터 처리에 어려움이 있기 때문에 retransmission이 필요하게 된다.

 

두 번째는, 여러 개의 안테나에서 동시에 똑같은 데이터를 전송하는 다이버시티(Diversity) 기법이 있다. 이 경우는 Spatial Multiplexing보다 시간은 더 걸리지만 하나의 안테나에서 데이터 손상이 발생해도, 다른 안테나를 통해서 복원이 가능하다. 즉, Spatial Multiplexing에 비해 Diversity의 통신 안정성이 더욱 훌륭하다. 이 두 가지를 적절히 섞어서 송수신단에서 활용하면 속도와 안정성을 동시에 올릴 수 있다.