미모-OFDM

MIMO-OFDM

다입력 다중출력 직교 주파수 분할 다중화(MIMO-OFDM)는 4G와 5G 광대역 무선 통신을 위한 우세한 항공 인터페이스다. 여러 안테나를 통해 서로 다른 신호를 전송해 용량을 증분하는 다중입력 다중출력(MIMO) 기술과 무선 채널을 촘촘히 간격을 둔 다수의 하위 채널로 나눠 고속에서 보다 안정적인 통신을 제공하는 직교 주파수분할 멀티플렉싱(OFDM) 기술이 결합됐다. 1990년대 중반에 실시된 연구는 MIMO를 시간분할 다중접속(TDMA), 코드분할 다중접속(CDMA)과 같은 다른 인기 있는 공기 인터페이스와 함께 사용할 수 있지만, MIMO와 OFDM의 조합은 높은 데이터 전송률에서 가장 실용적이라는 것을 보여주었다.[citation needed]

MIMO-OFDM은 가장 높은 스펙트럼 효율을 달성하고 따라서 최고 용량과 데이터 처리량을 제공하기 때문에 대부분의 첨단 무선 LAN 및 모바일 광대역통신망 표준의 기반이다. 그레그 롤리는 1996년 공간을 통해 전달된 신호가 물체(지반 등)에서 튕겨져 나와 수신기로 향하는 여러 경로를 취한다는 점을 이용해 같은 주파수로 서로 다른 데이터 스트림이 동시에 전송될 수 있다는 것을 보여주면서 MIMO를 발명했다. 즉, 안테나를 여러 개 사용하고 데이터를 사전 분석함으로써 서로 다른 경로를 통해 서로 다른 데이터 스트림을 전송할 수 있다. Raleigh는 제안했고 나중에 OFDM이 고속 데이터 채널을 다수의 병렬 저속 채널로 변환하기 때문에 고속에서 MIMO에 의해 요구되는 처리가 OFDM 변조를 사용하여 가장 관리 가능하다는 것을 증명했다.

작전

현대 용어로 "MIMO"라는 용어는 다중 송신 안테나(복수 입력)와 다중 수신 안테나(복수 출력)의 존재 그 이상을 나타낸다. 빔포밍에는 다중 송신 안테나를, 다양성에는 다중 수신 안테나를 사용할 수 있지만, 'MIMO'라는 단어는 다중 신호(공간 멀티플렉싱)를 동시에 전송해 스펙트럼 효율(용량)을 곱하는 것을 말한다.

전통적으로, 무선 엔지니어들은 자연 다중 경로 전파를 완화해야 할 장애로 취급했다. MIMO는 다중 경로 전파를 이용해야 할 현상으로 취급하는 최초의 무선 기술이다. MIMO는 여러 개의 배치된 안테나를 통해 여러 개의 신호를 전송하여 무선 링크의 용량을 배가한다. 이것은 추가적인 전력이나 대역폭 없이도 달성된다. 시공간 코드는 서로 다른 안테나를 통해 전송되는 신호가 서로 직교하여 수신기가 서로 쉽게 구별할 수 있도록 하기 위해 사용된다. 두 스테이션 사이에 가시선이 있는 경우에도 두 개 이상의 견고한 경로가 있는지 확인하기 위해 이중 안테나 양극화를 사용할 수 있다.

OFDM은 사용자 데이터를 긴밀하게 간격을 두고 협대역 하위 채널에 분산시킴으로써 신뢰할 수 있는 광대역 통신을 가능하게 한다.[1] 이 약정을 통해 신뢰할 수 있는 광대역통신의 가장 큰 장애물인 ISI(심벌간 간섭)를 제거할 수 있다. ISI는 연속된 기호 사이의 중복이 기호의 지속시간에 비해 클 때 발생한다. 일반적으로 높은 데이터 전송률은 더 짧은 지속시간 기호를 요구하여 ISI의 위험을 증가시킨다. OFDM은 고율의 데이터 스트림을 저율의 수많은 데이터 스트림으로 나누어 더 긴 지속시간 기호를 가능하게 한다. 주기적 접두사(CP)를 삽입하여 ISI를 완전히 방지하는 (시간) 가드 간격을 만들 수 있다. 가드 간격이 지연 확산(채널을 통해 전송되는 기호에 의해 경험되는 지연 차이)보다 길면 인접 기호 사이에 겹치지 않고 결과적으로 심볼 간 간섭이 없을 것이다. CP는 가용 대역폭의 작은 퍼센트를 소비하여 스펙트럼 용량을 약간 감소시키지만, ISI를 제거하면 매우 가치 있는 절충이 된다.

OFDM의 주요 장점은 구현을 단순화하기 위해 FFT(Fast Fourier Transforms)를 사용할 수 있다는 것이다. 푸리에 변환은 시간 영역과 주파수 영역 사이에서 앞뒤로 신호를 변환한다. 따라서 푸리에 변환은 복잡한 파형이 일련의 단순한 사인파 형태로 분해될 수 있다는 사실을 이용할 수 있다. 신호 처리 애플리케이션에서는 이산 푸리에 변환(DFT)을 사용하여 실시간 신호 샘플에서 작동한다. DFT는 개별 서브캐리어와 관련된 오실레이터 및 디모듈레이터 뱅크의 필요성을 피하여 복합 OFDM 신호에 적용할 수 있다. Fast Fourier 변환은 컴퓨터가 DFT 계산을 수행하기 위해 사용하는 수치 알고리즘이다.[2]

FFT는 OFDM이 대역폭을 효율적으로 사용할 수 있도록 한다. 하위 채널은 시간 영역 파형이 서로 직교하도록 주파수로 충분히 간격을 두어야 한다. 실제로 이는 하위 채널이 주파수가 부분적으로 겹칠 수 있음을 의미한다.

MIMO-OFDM은 MIMO가 다중 경로 전파를 완화하려고 시도하지 않고 OFDM이 신호 균등화의 필요성을 회피하기 때문에 특히 강력한 조합이다. MIMO-OFDM은 송신기에 채널 상태 정보(CSI)가 없는 경우에도 매우 높은 스펙트럼 효율을 달성할 수 있다. 송신기가 CSI(훈련 시퀀스를 이용하여 얻을 수 있는)를 보유하고 있을 때 이론적 채널 용량에 접근하는 것이 가능하다. 예를 들어 CSI를 사용하여 개별 서브캐리어에 서로 다른 크기의 신호 별자리를 할당하여 주어진 순간에 통신 채널을 최적으로 사용할 수 있다.

보다 최근의 MIMO-OFDM 개발에는 다중 사용자 MIMO(MU-MIMO), 고차 MIMO 구현(공간 스트림의 수 증가), 향후 5G 표준에 포함하기 위한 대규모 MIMO 및 협력 MIMO(CO-MIMO)에 관한 연구가 포함된다.

MU-MIMO는 IEEE 802.11ac 표준의 일부로서, 초당 기가비트 범위에서 속도를 제공하는 최초의 Wi-Fi 표준이다. MU-MIMO는 액세스 포인트(AP)가 최대 4대의 클라이언트 기기에 동시에 전송할 수 있도록 한다. 이렇게 하면 경합 지연은 없으나 신호를 적절히 지시하기 위해서는 빈번한 채널 측정이 필요하다. 각 사용자는 이용 가능한 8개의 공간 스트림 중 4개까지 사용할 수 있다. 예를 들어 안테나가 8개인 AP는 안테나 4개로 클라이언트 기기 2대와 대화할 수 있어 각각 4개의 공간 스트림을 제공할 수 있다. 또는 동일한 AP가 각각 2개의 안테나를 가지고 4개의 클라이언트 기기와 대화하여 각각 2개의 공간 스트림을 제공할 수 있다.[3]

다중 사용자 MIMO 빔포밍은 단일 공간 스트림 장치에도 이점이 있다. MU-MIMO 빔포밍 이전에, 여러 클라이언트 장치와 통신하는 액세스 포인트는 한 번에 한 개로만 전송할 수 있었다. MU-MIMO 빔포밍으로, 접속 지점은 동일한 채널에서 동시에 최대 4개의 단일 스트림 장치로 전송할 수 있다.

802.11ac 표준은 또한 단일 사용자 모드에서 8개의 공간 스트림을 사용하는 최대 6.93 Gbit/s의 속도를 지원한다. 최대 데이터 전송 속도는 5GHz 대역과 256 QAM(양자 진폭 변조)에서 옵션인 160MHz 채널을 사용한다고 가정한다. 6개의 공간 스트림을 지원하는 칩셋이 도입되었고 8개의 공간 스트림을 지원하는 칩셋이 개발 중에 있다.

매시브 MIMO는 MU-MIMO 환경에서 작동하는 다수의 기지국 안테나로 구성된다.[4] LTE 네트워크가 이미 2개의 공간 스트림을 이용한 단말기를 지원하고, 4개의 공간 스트림을 지원할 수 있는 단말기 안테나 설계가 시험된 가운데, 대규모 MIMO는 단일 공간 스트림 단말에도 상당한 용량 이득을 제공할 수 있다. 다시 MU-MIMO 빔포밍은 기지국이 동일한 채널의 여러 단말기로 동시에 독립 데이터 스트림을 전송할 수 있도록 하는 데 사용된다. 그러나 여전히 연구로 답해야 할 한 가지 질문은 다음과 같다. 기지국에 안테나를 추가하는 것이 가장 좋고 작은 셀을 추가하는 것이 가장 좋은 때는 언제인가?

5세대(5세대 이동 통신)무선통신의또다른 연구 초점은 CO-MIMO. CO-MIMO에서는 기지국 클러스터가 함께 연동해 성능을 끌어올린다. 이것은 더 높은 다운링크 데이터 속도를 달성하기 위해 단말기 또는 멀티셀 멀티플렉싱의 신호 수신 개선을 위해 매크로 다양성을 사용할 수 있다. 그러나 CO-MIMO는 협력 기지국 간의 고속 통신을 요구한다.

역사

그레고리 롤리는 OFDM과 결합한 MIMO의 사용을 처음 주장하였다. 이론적 논문에서, 그는 적절한 유형의 MIMO 시스템(다차원 코딩과 인코딩을 사용하여 여러 정보 스트림을 송수신하고 수신하는 다중 위치 안테나)으로, 다중 경로 전파를 이용하여 용량을 증분할 수 있다는 것을 증명했다. 무선 [5]링크의 그 때까지, 무선 기술자들은 다중 경로 전파의 영향을 완화시킴으로써 실제 채널이 이상적인 채널처럼 동작하도록 하려고 노력했다. 그러나 완화 전략은 완전히 성공한 적이 없다. 다중경로 전파를 이용하기 위해서는 시간변동, 분산, 다중경로 채널에 걸쳐 강력한 성능을 발휘하는 변조 및 코딩 기법을 식별할 필요가 있었다. 랄리는 시간변동 조건에서 MIMO-OFDM에 대한 추가 연구, MIMO-OFDM 채널 추정, MIMO-OFDM 동기화 기법, 첫 실험 MIMO-OFDM 시스템의 성능 등을 발표했다.[6][7][8][9]

롤리 3대 선도하는 변조 기법과 그의 박사 논문에서 다중 입력 다중 출력의 성능을 분석함으로써:OFDM의 사례를 굳히직교 진폭 변조(직각 진폭 변조), 직접 시퀀스 확산 스펙트럼(직접 시퀀스 확산 스펙트럼), TDMA과 같은 ISI.DS와 싸우기 위해 평형을 사용하여 협대역 계획의 별개의 다주파(DMT)[10]직각 진폭 변조하고 있다.SS마ses는 다중경로를 보상하기 위해 수신기를 긁고 CDMA 시스템에서 사용된다. DMT는 ISI를 제거하기 위해 인터리빙과 코딩을 사용하며 OFDM 시스템을 대표한다. 분석은 세 가지 변조 체계에 대한 MIMO 채널 매트릭스 모델을 도출하고, 계산 복잡성을 계량화하며, 각각에 대한 채널 추정 및 동기화 과제를 평가함으로써 수행되었다. 모델은 이퀄라이저 QAM을 사용하는 MIMO 시스템이나 레이크 리시버를 사용하는 DSSSS의 경우 데이터 속도가 증가함에 따라 계산 복잡성이 2차적으로 증가한다는 것을 보여주었다. 반대로 DMT와 함께 MIMO를 사용하면 데이터 속도가 증가함에 따라 계산 복잡성이 로그 선형으로 증가(즉, n log n)한다.

랄리는 이후 이 기술을 상용화하기 위해 1996년에 클라리스 와이어리스, 2001년에 에어고 네트워크를 설립했다. Clearity는 IEEE 802.16(WiMAX로 상용화됨)과 LTE 표준을 이끌어낸 BWIF(Broadband Wireless Internet Forum)에서 규격을 개발했으며, MIMO를 지원한다. Airgo는 IEEE 802.11n 표준이 된 것을 위해 최초의 MIMO-OFDM 칩셋을 설계 및 출하했다. MIMO-OFDM은 802.11ac 표준에서도 사용되며 802.11ax 및 5세대(5G) 휴대전화 시스템에서도 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

다중 사용자 MIMO에 대한 몇 개의 초기 논문들은 홍콩 과학기술 대학의 로스 머치 등이 저술했다.[11] MU-MIMO는 802.11ac 표준에 포함되었다(2011년부터 개발되어 2014년에 승인됨). "Wave 2" 제품으로 알려진 MU-MIMO 용량이 처음으로 나타난다. 퀄컴은 2014년 4월 MU-MIMO를 지원하는 칩셋을 발표했다.[12]

브로드컴은 2014년 4월 6개의 공간 스트림을 지원하는 최초의 802.11ac 칩셋을 3.2Gbit/s까지 데이터 전송 속도를 지원했다. 콴테나는 최대 10Gbit/s의 데이터 전송 속도를 위해 8개의 공간 스트림을 지원하는 칩셋을 개발하고 있다고 말한다.[13]

매시브 미모(Massive MIMO), 협동 미모(CO-MIMO), 헤트네트(Het Nets) 등은 현재 5세대(5G) 무선 관련 연구의 초점이 되고 있다. 5G 표준 개발은 2016년부터 시작될 전망이다. 현재까지 저명한 연구자로는 제이콥 호이디스(알카텔 루센트의)와 로버트 W가 있다. 히스(오스틴의 텍사스 대학교), 헬무트 볼크스케이(ETH 취리히), 데이비드 게스버트(EURECOM).[14][15][16][17]

삼성에서 5G 기술 시련이 이뤄졌다.[18] 일본 통신사 NTT도코모는 알카텔루센트, 에릭슨, 후지쓰, NEC, 노키아, 삼성과 공동으로 5G 기술을 시험해 볼 계획이다.[19]

참조

  1. ^ LaSorte, Nick; et al. (2008). The history of orthogonal frequency division multiplexing (PDF). IEEE GLOBECOM 2008 Conference. doi:10.1109/GLOCOM.2008.ECP.690.
  2. ^ Weinstein, Stephen B. (November 2009). "The history of orthogonal frequency-division multiplexing [History of Communications]". IEEE Communications. 47 (11): 26–35. doi:10.1109/MCOM.2009.5307460.
  3. ^ Gast, Matthew (July 2013). 802.11ac: a Survival Guide. O'Reilly Media. ISBN 978-1-4493-4313-2. Archived from the original on July 3, 2017. Retrieved May 27, 2014.
  4. ^ Marzetta, Thomas L. (2010). "Noncooperative Cellular Wireless with Unlimited Numbers of Base Station Antennas". IEEE Transactions on Wireless Communications. 9 (11): 3590–3600. doi:10.1109/TWC.2010.092810.091092.
  5. ^ Raleigh, G.G.; Cioffi, J.M. (1996). Spatio-temporal coding for wireless communications. IEEE Global Telecommunications Conference, 1996. London November 18–22, 1996. pp. 1809–1814 vol. 3. doi:10.1109/GLOCOM.1996.591950.
  6. ^ Raleigh, G.G.; Jones, V.K. (November 1999). "Multivariate modulation and coding for wireless communication". IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 17 (5): 851–866. doi:10.1109/49.768200.
  7. ^ Raleigh, G.G.; Cioffi, J.M. (March 1998). "Spatio-temporal coding for wireless communication". IEEE Transactions on Communications. 46 (3): 357–366. doi:10.1109/26.662641.
  8. ^ Jones, V.K.; Raleigh, G.G. (1998). Channel estimation for wireless OFDM systems. IEEE Global Telecommunications Conference, 1998. Sydney, Australia November 8–12, 1998. pp. 980–985 vol. 2. doi:10.1109/GLOCOM.1998.776875.
  9. ^ Raleigh, G.G.; Jones, V.K. (1998). Multivariate modulation and coding for wireless communication. IEEE Global Telecommunications Conference, 1998. Sydney, Australia November 8–12, 1998. pp. 3261–3269 vol. 6. doi:10.1109/GLOCOM.1998.775808.
  10. ^ Raleigh, Gregory (1998). On Multivariate Communication Theory and Data Rate Multiplying Techniques for Multipath Channels (PDF) (Thesis). Stanford University. Retrieved May 29, 2020.
  11. ^ Wong, Kai-Kit; Murch, Ross D.; Ben Letaief, Khaled (December 2002). "Performance enhancement of multiuser MIMO wireless communication systems" (PDF). IEEE Transactions on Communications. 50 (12): 1960–1970. doi:10.1109/tcomm.2002.806503.
  12. ^ Parker, Tammy (April 2, 2014). "Qualcomm ups Wi-Fi capacity via 802.11ac multi-user MIMO". FierceWirelessTech. Questex Media Group LLC. Retrieved May 29, 2014.
  13. ^ Burt, Jeffrey (April 15, 2014). "Broadcom, Quantenna Aim for Faster WiFi". eWeek. QuinStreet Inc. Retrieved May 29, 2014.
  14. ^ Hoydis, Jakob; Ten Brink, Stephan; Debbah, Mérouane (January 2012). "Massive MIMO in the UL/DL of cellular networks: How many antennas do we need?" (PDF). IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 31 (2): 160–171. CiteSeerX 10.1.1.352.4167. doi:10.1109/jsac.2013.130205.
  15. ^ Heath, Robert W.; Paulraj, Arogyaswami J. (June 2005). "Switching between diversity and multiplexing in MIMO systems". IEEE Transactions on Communications. 53 (6): 962–968. doi:10.1109/tcomm.2005.849774.
  16. ^ Paulraj, Arogyaswami J.; Gore, D.A.; Nabar, R.U.; Bolcskei, H. (February 2004). "An overview of MIMO communications - a key to gigabit wireless" (PDF). Proceedings of the IEEE. 92 (2): 198–218. doi:10.1109/JPROC.2003.821915.
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  18. ^ Latif, Lawrence (May 13, 2013). "Samsung trials 1Gbit/s 5G connectivity forecasting 2020 rollout". Inquirer. Incisive Financial Publishing Limited. Archived from the original on June 9, 2013. Retrieved May 29, 2014.{{cite news}}: CS1 maint : 부적합한 URL(링크)
  19. ^ Middleton, James (May 8, 2014). "Docomo to begin 5G trials in Japan". Telecoms.com. Informa Telecoms & Media. Retrieved May 29, 2014.