통신 시스템에서의 안테나 가상화

무선 디지털 통신 시스템은 케이블과 디지털 가입자 라인(DSL) 기법, 또는 데이터 서비스를 대체하여 비용-효율을 제공하기 위한 준비를 한다. 무선 디지털 통신 시스템의 하나의 예로는 Worldwide Interoperability for Microwave Access 기법, 즉 이른바 “WiMAX" 기법이 있다. 상기 WiMAX 기법은 IEEE 802.16e 에어 인터페이스 표준을 바탕으로 하며, 광대역 무선 애플리케이션을 위한 촉망받는 프레임워크이다. WiMAX는 정지 사용자와 이동 사용자 모두를 위한 인터넷과 디지털 음성 서비스를 가능하게 할 가능성을 갖는다. WiMAX 네트워크 구조는 무선 링크나 인터페이스를 통해 기지국(BTS)과 통신하는 가입자 스테이션(SS)을 포함한다. 상기 BTS는 PHY 및 MAC(media access controller) 기능을 포함하며, 이때, PHY 기능은 순수 디지털 도메인과, 아날로그 도메인의 모듈레이션 간의 인코딩 및 디코딩을 관리한다. WiMAX는 직교 주파수 분할 멀티플레싱(OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing)을 사용하는데, 이는 OFDM에 의해 제공되는 다중경로 전파 및 다중 안테나 시스템의 사용에 대한 견고성(robustness) 때문이다. OFDM은, 각각의 주파수 채널이 보다 단순한 변조를 이용하여 변조되는 주파수 분할 멀티플렉싱(FDM: frequency-division multiplexing)의 개념을 바탕으로 하는, 송신을 위한 변조 기법이다. OFDM에서, FDM의 주파수와 변조는 서로 직교하도록 배열되며, 이로 인해서, 채널간 간섭이 축소, 또는 제거된다. OFDM은, 로우-레이트 변조(채널 타임 특성에 비해 상대적으로 긴 심볼을 갖는 변조)는 다중경로에 대해 덜 민감하기 때문에, 하나의 하이 레이트 파형을 전송하는 것보다 다수의 로우 레이트 스트림을 병렬로 전송하는 것이 더 낫다는 이론을 바탕으로 한다. 이는 OFDM이 동작 중에, 주파수 스펙트럼을, 주어진 서브대역에 걸쳐 채널 효과가 일정하도록(평탄하도록) 충분히 작은 서브대역으로 분할하기 때문이다. 그 후, 공지된 변조법(가령, BPSK, QPSK, M-QAM 등)이 사용되어, 서브대역에 걸쳐 정보를 전송할 수 있으며, 채널의 빠른 변화 효과(다중경로)는, 단일 심볼의 송신 동안 발생하고, 따라서 수신기에서 플랫 페이딩(flat fading)으로서 취급되어짐에 따라서, 상당히 감소되거나 제거된다. WiMAX는 다중 안테나를 함께 사용하여 OFDM을 실현한다. WiMAX에서 사용되는 다중 안테나 시스템은 MIMO(multiple-input multiple-output) 시스템을 제공하기 위해 다중 송신 안테나 및 다중 수신 안테나의 사용을 포함한다. 상기 MIMO 시스템은 동일한 대역폭 및 동일한 전체 송신 파워 비용에서 가능한 작업량 및 범위에 있어, 상당한 증가를 이루는 다중 안테나 통신 시스템이다. 일반적으로, MIMO 기법은 무선 통신 시스템의 스펙트럼 효율을 증가시킨다. 무선 MIMO 통신은 데이터 작업량과 범위를 증가시키기 위해, 또는 비트 에러율을 감소시키기 위해, 종래의 SISO(Single-Input Single-Output) 통신 시스템이 하는 것처럼 다중경로 전파의 효과를 제거하려 시도하지 않고, 오히려 통신 다중경로 전파 등의 현상을 활용한다. MIMO는 BTS와 SS에서 다중 안테나와 무선 주파수(RF) 체인을 이용함으로써, 포인트-투-포인트 스펙트럼 효율을 배가시킨다. MIMO는 안테나를 가로질러 송신된 신호와, OFDM 심볼과, 주파수 톤을 세심하게 코딩함으로써, 작업량에 있어서 SISO 시스템에 비해 배가된 증가를 획득하며, 일반적으로 이러한 작업량의 증가는 시스템 대역폭, 또는 송신 파워에 영향을 주지 않고 실현된다. 따라서 안테나의 개수가 증가됨에 따라, 송신 및 수신 안테나의 최소 개수에 비례하여, MIMO 시스템을 위한 채널 용량(시스템 작업량의 이론적인 상한 한계)이 증가된다고 보여진다. 통상의 MIMO 시스템의 송신 측은 다중 송신 안테나를 사용하며, 수신기는 단일 안테나, 또는 다중 안테나를 포함할 수 있다. 다중 안테나 송신 시스템에서, 송신기는 각각의 송신 안테나로부터 서로 다른 신호를 전송하고, 이들 신호는 스트림이라고 일컬어진다. 종래의 MIMO 시스템에서, 송신 신호, 또는 스트림의 개수는 안테나의 개수와 동일하지만, 일부 경우에서, 사용되는 송신 안테나의 개수가 송신 스트림의 개수보다 크다. 이러한 시스템에서, 당연히, “M”개의 실제 안테나가 “N”개의 가상 안테나로서 나타나도록 만들 필요성이 존재하며(N003c#M), 이때 각각의 가상 안테나는 하나의 송신 스트림에 의해 구동된다. 상기 가상 안테나가 실제 안테나처럼 동작하는 것이 효과적이며, 실제 안테나의 각 패턴(angular pattern)을 커버하는 것이 합리적이다. 가상화의 이점은 링크에서의 개선된 다이버시티(diversity)와, 더 낮은 파워의 증폭기 레이팅(그러나 안테나의 개수는 더 많음)에 있다(그러나 제한받지 않음).