Paul Harris, 브리스톨 대학교
Cisco는 2020년까지 55억 명이 휴대전화를 소유하게 될 것이라고 예측합니다. 영국에서만 수천만 명의 휴대전화 사용자가 매월 20GB의 데이터를 소비하고 일상 생활에서 25개 이상의 다양한 스마트 디바이스를 사용합니다. 4K 비디오, 무인 차량, 스마트 공장 및 지구상에서 가장 외딴 지역으로도 확장되는 광대역 액세스 등 데이터가 많이 필요한 어플리케이션을 고려하면, 오늘날의 무선 네트워크로 빠르게 현실화되고 있는 초연결된 미래를 감당하기 어렵다는 것은 자명합니다.
증가된 데이터 속도, 확장된 네트워크 용량, 향상된 안정성에 대한 전례 없는 수요를 해결하기 위해 브리스톨 대학과 룬드 대학의 엔지니어와 연구원들은 NI MIMO(다중 입력, 다중 출력) 프로토타이핑 시스템을 사용하여 5G 셀룰러를 빠르게 혁신하고 발전시켜 대규모 MIMO 기술을 통해 무선 통신의 미래를 탈바꿈시키려 합니다. 이 두 대학 팀은 현재의 4G 셀룰러 기술 대비 대역폭 효율이 20배 이상 향상됨을 성공적으로 입증함으로써, 6GHz 이하 대역에서의 5G 분야에서 새롭고도 기록적인 가능성의 영역을 열었습니다.
Paul Harris - 브리스톨 대학교
Steffen Malkowsky - 룬드 대학교
5G 네트워크의 잠재력을 깨우는 것은 Massive MIMO의 이점을 이해하는 것에서 시작됩니다. Massive MIMO는 기지국에서 많은 수의 안테나(64개 이상)를 사용하여 공간 다중화를 수행합니다. 이는 더 이상 무선 스펙트럼을 소비하거나 간섭을 일으키지 않고 밀집된 지역에서 더 많은 사용자에게 서비스를 제공할 수 있음을 의미합니다. 다시 말해서, Massive MIMO는 점점 더 희소해지는 무선 스펙트럼의 한계를 시험하지 않으면서 통화 끊김 감소, 데드 존(dead zone)의 현저한 감소, 더 나은 품질의 데이터 전송을 달성할 수 있다는 뜻입니다.
더 나아가 Massive MIMO는 현재 LTE(4G) 네트워크에 비해 비용을 절감하고 에너지 효율성을 개선하는 동시에 안테나 수의 증가로 인한 이중화를 통해 안정성을 향상시킬 수 있습니다.
브리스톨과 룬드 대학교 팀은 미래의 5G 네트워크에 10배 이상의 처리량 향상을 가져올 수 있는 기술로서 Massive MIMO의 가능성을 시험하기 시작했습니다. 그들은 NI Advanced Wireless Research Group의 전문성을 바탕으로 유연한 소프트웨어 정의 무선 하드웨어와 재구성 가능한 개방형 LabVIEW 소프트웨어를 갖춘 확장 가능한 MIMO 프로토타이핑 플랫폼을 위해 NI로 눈을 돌렸습니다.
NI MIMO 프로토타이핑 시스템을 사용하여 팀은 실제 조건에서 Massive MIMO의 이론적 원리를 적용하는 데 집중하고 128개 안테나를 갖춘 리얼타임 Massive MIMO 테스트베드의 세계 최초 라이브 데모를 구현하는 과정에서 새로운 아이디어를 신속하게 테스트할 수 있었습니다. 이 최첨단 테스트베드를 사용하여 팀은 스펙트럼 효율성에서 2년 연속 세계 기록을 세웠습니다. 20MHz 대역폭에서 79b/s/Hz 이상의 스펙트럼 효율성, 12명의 동시 사용자로 3.5GHz에서 완전 양방향, 실시간 무선 링크를 달성한 것입니다. 그 후 얼마 되지 않아, 동일한 시간-주파수 리소스를 공유하는 사용자 수를 22명으로 늘려 145b/s/Hz 이상의 스펙트럼 효율성을 달성하도록 시스템을 확장했습니다.
NI MIMO 프로토타이핑 시스템은 NI 상용 기성 하드웨어와 LabVIEW 소프트웨어를 조합한 것입니다. 플랫폼은 높은 처리량, 고용량, 짧은 대기 시간 시스템을 위한 견고한 기반이 됩니다. 팀은 거의 100가지에 달하는 하드웨어를 통합하면서도 단일 소프트웨어 프레임워크 내에서 전체 어플리케이션을 원활하게 개발했습니다. 이러한 모듈식 접근 방식, 긴밀한 소프트웨어/하드웨어 통합, LabVIEW에 내장된 리얼타임 FPGA IP는 팀이 필요로 하는 솔루션을 예상보다 빠르게 제공했으며 향후 플랫폼 변경의 비용 및 시간 효율성을 보장했습니다.
브리스톨 대학교와 브리스톨 시의회 간의 합작 투자인 “Bristol is Open”에서 브리스톨 팀은 이 Massive MIMO 테스트베드를 도시 경계 내의 옥상에 배치하고 광섬유 네트워크에 연결할 계획입니다. 그리하여 이 기술이 사회에 미치는 실제 영향에 대한 추가 연구를 수행할 수 있는 가능성을 열 것입니다. 결국 브리스톨 팀은 시스템을 4개의 32-안테나 하위 시스템으로 분할하고 광섬유 네트워크를 활용하여 분산된 대규모 MIMO 구성을 구현할 것입니다. 궁극적으로 이것은 네트워크 사업자가 모두가 혜택을 볼 수 있는 더 나은 통신 방법을 수립할 수 있도록 합니다.
룬드 대학교는 곧 자체 NI Massive MIMO 테스트베드로 보다 현실적인 배포 조건에서 실외 시나리오, 채널 특성화 및 가속기 IP 설계에 중점을 둔 측정을 수행할 것입니다.
또한 브리스톨과 룬드 대학교는 향후 활동에서 계속해서 협력할 것입니다. 룬드 팀은 브리스톨 팀을 초대하여 모바일 사용자들을 대상으로 실외 측정 시험을 수행하여 모바일이 대규모 MIMO에 미치는 영향을 추가로 조사할 것입니다.
브리스톨 대학교의 통신 시스템 및 네트워크(CSN) 그룹은 고정 통신 및 무선 통신 분야의 연구 수요를 해결하기 위해 1985년에 설립되었습니다. 이 그룹은 학문적 기반 연구와 강력한 수준의 산업적 응용 분야를 융합합니다. 또한 최첨단 테스트 및 측정 장비와 일류 계산 시설로 완비된 실험실을 보유하고 있습니다.
브리스톨 대학교 팀: Mark Beach, Andrew Nix, Paul Harris, Siming Zhang, Henry Brice, Wael Boukley Hasan 및 Benny Chitambira
룬드 대학교는 우리 주변의 세상과 인간의 환경을 이해하고, 설명하고, 개선하기 위해 노력하는 세계 일류 대학을 추구하고 있습니다. 룬드 대학교의 전기 공학 및 정보 기술 부서(EIT)는 통신 시스템 설계뿐만 아니라 아날로그 및 디지털 분야의 광범위한 연구 분야를 다루며 MaMi 이론, 채널 측정 및 특성화, 가속기 IP 설계를 포함하는 Massive MIMO 연구의 첨병에서 활약하고 있습니다.
룬드 대학교 팀: Fredrik Tufvesson, Ove Edfors, Liang Liu, Steffen Malkowsky, Joao Vieira, Zachary Miers, Hemanth Prabhu, Erik Bengtsson, Xiang Gao 및 Dimitrios Viastaras
Paul Harris
브리스톨 대학교
CSN Group, University of Bristol, Woodland Road
Bristol BS8 1UB
영국
paul.harris@bristol.ac.uk