5G Massive MIMO 테스트베드: 이론에서 현실로

현재 진행 중인 5G 경쟁에서 무선 연구 커뮤니티는 네트워크 처리량 및 용량의 전례 없는 개선, 스펙트럼 효율성 향상, 종단 간 대기 시간 감소 및 안정성 향상 등을 제공할 미래의 기술을 만들기 위한 여정에 착수했습니다. 이러한 개선은 아래 그림 1[1]에 요약된 것처럼 ITU(International Telecommunications Union)에서 정의한 주요 성능 요구 사항에 의해 주도됩니다. 그림과 같이, 피크 데이터 속도가 1Gb/s에서 20Gb/s로 20배 향상되어 IMT-2020(5G)의 성능은 IMT-Advanced에 비해 크게 향상되었습니다. 마찬가지로 사용자 경험 데이터 속도는 10Mb/s에서 100Mb/s로 10배 증가하고 지연 시간은 10ms에서 1ms로 10배 감소합니다.  

그림 1. IMT-Advanced에서 IMT-2020로의 주요 성능 요구 사항 향상[1]

오늘날의 무선 통신 시스템보다 몇 배나 빠른 데이터 속도를 제공하는 5G는 초고해상도 4K, 8K 및 3D 비디오 스트리밍을 포함하여 이전에는 불가능했던 멀티미디어 경험을 소비자에게 제공할 완전히 새로운 어플리케이션 및 서비스를 가능하게 할 것입니다. 매우 낮은 지연 시간과 매우 안정적인 5G 네트워크는 교통 안전, 주요 인프라 및 산업 프로세스 제어와 같은 최신 모바일 통신 시스템에 비해 훨씬 짧은 지연 시간이 필요한 새로운 미션 크리티컬 어플리케이션을 가능하게 합니다. 1X에서 3X로의 스펙트럼 효율성 개선은 소비자 가전뿐만 아니라 IoT(사물 인터넷)와 관련된 많은 센서, 렌더링 장치 및 액추에이터의 폭발적인 증가를 지원하는 데도 매우 중요합니다. 스펙트럼의 제한된 가용성과 온라인으로 연결될 엄청난 수의 IoT 장치를 감안할 때 5G 네트워크는 오늘날의 무선 네트워크보다 스펙트럼을 훨씬 더 효율적으로 사용해야 합니다.

더 높은 스펙트럼 효율성을 달성하기 위한 핵심 후보 기술로 확인된 것은 Massive MIMO([2], [3], [4])입니다. Massive MIMO 또는 대규모 MIMO라고도 하는 다중 사용자 MIMO는 기지국의 안테나 수가 시그널링 리소스당 모바일 스테이션 수보다 훨씬 더 많은 형태입니다.  모바일 스테이션 수에 비해 많은 수의 기지국 안테나는 준직교형 채널 응답을 초래하고 스펙트럼 효율성에서 엄청난 이득을 얻을 가능성이 있습니다. 이러한 조건은 현대의 4G 시스템과 비교하여 주어진 셀 내에서 동일한 주파수 및 시간 리소스로 더 많은 장치를 지원할 수 있게 합니다. 아래 그림 2는 일반적인 4G MIMO 셀과 더 많은 기지국 안테나가 장착된 5G Massive MIMO 셀을 비교하여 보여줍니다[5]. 더 많은 안테나가 장착된 5G Massive MIMO 기지국은 5G IoT 사용 사례 및 기타 사례에서 구상한 대로 훨씬 더 많은 장치에 서비스를 제공할 수 있습니다.

그림 2. 4G MIMO에서 5G Massive MIMO로의 다중 안테나 기술 진화[5]

이론상으로는 유망하지만 Massive MIMO는 아직까지 광범위한 상용 배치 가능성을 입증할 만한 대규모 현장 시험을 거치지 않았습니다. 그러나 Bristol과 Lund 대학은 실시간 무선 시험에서 최근 스펙트럼 효율성의 엄청난 이득을 달성할 수 있음을 보여주었습니다[6], [7]. 아래 그림 3에 표시된 MIMO 프로토타이핑 시스템을 사용하여 Bristol 및 Lund 대학의 연구원들은 20MHz 무선 채널 위에 128개의 기지국 안테나와 22개의 단일 안테나 모바일 스테이션을 사용하여 145.6bits/s/Hz의 기록적인 스펙트럼 효율성을 달성했으며 이는 기존 4G 네트워크에 비해 스펙트럼 효율성을 22배 향상한 것입니다. 

그림 3. Bristol 및 Lund 대학은 Massive MIMO 연구 및 프로토타이핑을 위해 MIMO 프로토타이핑 시스템을 사용했습니다.

이 대학들이 스펙트럼 효율성의 엄청난 이득이 실제로 컴퓨터 기반 시뮬레이션 뿐만 아니라 실제의 무선 환경에서도 달성될 수 있음을 증명함으로써 Massive MIMO를 현실에 한 발짝 더 가져다 놓았지만 상업적인 Massive MIMO 네트워크가 출시되기 전에는 해결해야 할 문제가 여전히 많습니다. 아직 해결되지 않은 몇 가지 문제로 다음과 같은 것들이 있습니다.

• 이동성—이동 단말기가 고속으로 이동함에 따라 빠르게 변화하는 채널 조건에서 Massive MIMO가 작동할 수 있겠습니까?
• FDD(Frequency Division Duplexing)—오늘날 Massive MIMO 연구의 대부분은 TDD(Time Division Duplexing) 전송 모드와 채널 호혜성을 사용하여 엄청난 수의 기지국 안테나에 대한 파일럿 시퀀스 수 제한과 관련된 문제를 극복합니다. 그러나 오늘날의 많은 글로벌 셀룰러 대역은 FDD 전용으로 할당되어 있습니다. 따라서 Massive MIMO가 널리 채택될지는 아직 알 수 없습니다.
• 다중 셀 작동 및 셀 경계 성능—사용자가 인접 셀 경계에 있는 경우에도 Massive MIMO가 계속 제대로 작동하겠습니까? 제한된 파일럿 시퀀스가 인접한 Massive MIMO 기지국에서 재사용되므로, 셀 경계의 사용자가 인접 셀의 파일럿을 오염할 위험이 있습니다. 사용자가 인접 셀의 경계에 가까워질 때 Massive MIMO가 얼마나 잘 작동할지는 여전히 알 수 어렵습니다.
• 기타 미해결 연구 분야—위에 나열된 연구 문제 외에도 다음을 포함하는 더 많은 연구 문제가 있습니다.
  • 분산형 Massive MIMO
  • CSI 피드백 최적화
  • 하이브리드 빔포밍
  • MAC 레이어 제어

위에서 설명한 것처럼 Massive MIMO 및 기타 기술의 프로토타입 제작은 5G 비전을 실현하고 스펙트럼 효율성에 대한 핵심 성능 요구 사항을 충족하는 데 절대적으로 중요합니다.  실시간으로 실행되고 실제 채널 조건에서 실제 RF 신호를 송수신하는 프로토타입 시스템은 컴퓨터 기반 시뮬레이션만으로는 Massive MIMO의 상업적 성공을 막는 많은 미해결 문제의 복잡성을 완전히 포착할 수 없기 때문에 반드시 구축되어야 합니다.  예를 들어, Massive MIMO 채널의 전파 특성을 완전히 이해하려면 연구원은 기저 대역에서 신호의 동기화 및 일관성에 영향을 미치는 RF 회로 불완전성과 다중 채널 시스템의 여러 하드웨어적 한계의 영향도 이해해야 합니다.  물리 계층에서 어플리케이션 계층에 이르는 통신 시스템의 모든 계층에 걸친 실시간 처리 제한 사항도 잘 이해하고 고려해야 원활하고 고품질이며 신뢰할 수 있는 서비스가 사용자에게 제공될 수 있습니다. 

필요하지만, 실시간 무선 통신 시스템의 프로토타이핑은 전통적으로 여러 문제를 야기하여 개념 증명(PoC) 개발 속도를 크게 제한했습니다. 데스크탑 시뮬레이션에서 모델링된 개념을 1Gb/s를 초과하는 속도로 데이터를 처리하는 프로토타입으로 가져오는 절차는 RF 및 베이스밴드 하드웨어 개발, 드라이버 개발, 실시간 임베디드 소프트웨어 프로그래밍, 디지털 회로 설계, 신호 처리 등에 특화된 기술을 가진 큰 엔지니어링 팀이 있어야 가능한 작업이었습니다. 문제는 더욱 복잡해지는데 이는 이러한 시스템을 만드는 데 필요한 도구가 여러 공급업체에 걸쳐 있기 때문에 하드웨어나 소프트웨어 개발 기술뿐만 아니라 특정 공급업체의 도구 사용에도 특화된 기술이 필요하기 때문입니다.

이러한 문제에 비추어, NI는 Massive MIMO를 포함하여 다중 사용자 MIMO 연구를 위한 포괄적인 프로토타이핑 솔루션을 제공합니다.  NI의 MIMO 프로토타이핑 시스템에는 추가로 코드를 개발하지 않고도 구매 즉시 실시간 무선 다중 사용자 MIMO 시스템을 설치하고 즉시 실행할 수 있게 모든 것이 포함되어 있습니다[6]. 아래 그림 4는 (1) 최첨단 SDR 하드웨어, (2) 단일 통합 소프트웨어 설계 환경, (3) MIMO 소프트웨어 표준 설계의 요소인 실시간 FPGA IP를 포함하는 MIMO 프로토타이핑 시스템의 세 가지 주 구성 요소입니다.  이 MIMO 프로토타이핑 시스템의 세 가지 구성 요소는 함께 기존 프로토타이핑 방법과 비교하여 실시간 무선 통신 시스템 프로토타이핑의 어려움을 크게 줄여 차세대 통신 시스템 개발을 가속화합니다.

그림 4. MIMO 프로토타이핑 시스템은 하드웨어, 소프트웨어 및 IP를 포함하는 포괄적 다중 사용자 MIMO 프로토타이핑 솔루션입니다.

MIMO 프로토타이핑 시스템에는 다중 사용자 MIMO 통신 시스템을 구현하는 데 필요한 모든 하드웨어가 포함되어 있습니다. RRH(Remote Radio Head)에서 CPU 및 FGPA에 이르기까지 완전한 스트리밍, 실시간, 위상 일관적, 시간 동기화 다중 채널 시스템을 만드는 데 필요한 모든 하드웨어가 기본적으로 포함되어 있습니다. 사용자가 자체 하드웨어 및 드라이버를 개발할 필요가 없게 하므로 MIMO 프로토타이핑 시스템은 값비싼 R&D 비용과 하드웨어 설계 오류로 인한 일정 지연을 제거해 사용자에게 엄청난 가치를 제공합니다. 여러 MIMO 시스템을 포괄하는 광범위한 스펙을 충족하는 안정적인 하드웨어를 통해 사용자는 맞춤형 어플리케이션 코드 개발에 집중하여 기술의 가능성과 가치를 입증할 수 있습니다.

MIMO 프로토타이핑 시스템은 RF 채널 수 조절 기능을 제공하여 단일 사용자 MIMO(SU-MIMO), 다중 사용자 MIMO(MU-MIMO) 및 Massive MIMO를 지원하는 USRP RIO 기반 모듈식 아키텍처를 지원합니다[8]. 기지국 안테나의 수는 적게는 2개 또는 많게는 128개까지 지원하도록 구성할 수 있습니다. RF 채널 전반의 위상 일관성 및 동기화는 고속 디지털 트리거 신호와 함께 시스템 전체의 다양한 무선 헤드에 배포되는 매우 안정적인 OCXO 클록 소스를 통해 가능합니다.  모바일 스테이션도 시스템에 포함되며 안테나 수를 1에서 12까지 조절할 수 있습니다.  기지국 및 모바일 스테이션 하드웨어의 사진은 아래 그림 5에 나와 있습니다.

하드웨어는 또한 많은 채널 수와 넓은 대역폭을 필요로 하는 실시간 어플리케이션을 위한 고도로 집약적인 신호 처리 작업에 더 많은 계산 능력을 제공하기 위해 FPGA를 확장 가능한 모듈식 FPGA 아키텍처를 지원합니다.  최대 64개의 듀얼 채널 USRP RIO 장치가 OFDM 변조 및 복조를 수행하는 고성능 Xilinx Kintex-7 FPGA가 장착된 무선 헤드로 사용됩니다.  IQ 샘플은 지연 시간이 짧은 PCI Express 연결을 통해 고속으로 시스템을 통해 무선 헤드에서 라우팅된 다음 중앙 집중식 MIMO 처리를 위해 PXIe-7976 PXI FPGA 모듈(Kintex-7 FPGA과 함께 장착됨)로 전송됩니다.  

Intel i7 쿼드 코어 CPU가 장착된 PXIe-8135 컨트롤러는 안테나 수의 구성 및 시스템 전체 IQ 샘플 관련 라우팅을 포함하여 제어 관련 작업의 호스트 측 처리를 수행합니다. 무선 프레임의 업링크/다운링크 트래픽 스케줄링도 각 모바일 스테이션의 QAM 변조 차수와 함께 소프트웨어로 설정이 가능합니다. 업링크 수신 신호 스펙트럼을 포함한 데이터 시각화와 각 안테나에 대한 채널 추정과 같은 다른 작업도 시스템 상태를 모니터링하는 수단으로 호스트에서 수행됩니다.

개별 부품과 다양한 상호 연결의기술 스펙을 포함한 MIMO 프로토타이핑 시스템 하드웨어 아키텍처에 대한 더 자세한 정보는 백서, NI MIMO 프로토타이핑 시스템 하드웨어 소개를 참조하십시오.

그림 5. MIMO 프로토타이핑 시스템: 128개의 안테나 기지국(왼쪽 및 오른쪽 아래)과 모바일 스테이션(오른쪽 위)

LabVIEW Communications는 다중 사용자 MIMO 및 기타 통신 시스템과 같이 마이크로프로세서와 FPGA 타겟 모두에서 고속, 저지연, 실시간, 임베디드 처리가 필요한 어플리케이션의 개발을 통합하는 완벽한 소프트웨어 설계 환경입니다. 임베디드 프로세서와 FPGA로 구성된 이러한 이기종 프로세싱 아키텍처는 아래 그림 6과 같은 SDR 하드웨어 아키텍처에서 흔히 볼 수 있습니다. 다양한 하드웨어 타겟에 같은 내용의 개발을 위해 여러 소프트웨어 공급업체의 여러 프로그래밍 도구가 필요한 기존의 이기종 어플리케이션 개발 방법과 달리 LabVIEW Communications는 단일 개발 환경에서 완전 스트리밍, 실시간, 무선 통신 시스템 개발에 필요한 모든 설계 기능을 제공합니다. LabVIEW Communications는 통신 시스템의 PC 기반 시뮬레이션 모델을 실행하기 위해 필요한 다양한 소프트웨어 개발 도구를 여러 하드웨어 타겟에 실행 파일을 분산 배치하는 완전한 기능을 갖춘 실시간 프로토타입으로 통합함으로써 전체 개발 절차를 크게 개선합니다.

임베디드 프로세서에서 네트워크 사용자들의 전송 스케줄링을 제어하는 실시간 MAC 계층 프로토콜의 개발이든 처리량이 높은 MIMO PHY 계층을 FPGA에서 개발하든 LabVIEW Communications는 단일 설계 환경에서 이를 수행할 수 있도록 필요한 모든 도구를 제공합니다. 게다가 MIMO 프로토타이핑 시스템을 위한 모든 하드웨어 드라이버를 간단하고 직관적인 API를 통해 LabVIEW Communications에서도 이용할 수 있으므로 CPU와 FPGA 간의 데이터 전송 또는 RF 프런트엔드 제어와 같은 하드웨어 관련 작업을 통신 스택 전체의 다양한 계층의 작업에 원활하게 통합할 수 있습니다.

그림 6. LabVIEW Communications에서 프로그래밍할 수 있는 CPU와 FPGA 처리 타겟으로 구성된 일반적인 SDR 하드웨어 아키텍처.

다음은 LabVIEW Communications의 몇 가지 소프트웨어 개발 기능을 요약합니다.  

CPU 코드 개발

LabVIEW Communications에는 실시간 무선 통신 시스템용 CPU 기반 어플리케이션 생성을 지원하는 소프트웨어 개발 도구가 포함되어 있습니다. 리얼타임 Linux 기반 OS를 사용하는 LabVIEW Communications는 멀티스레딩 및 리얼타임 스레드 스케줄링을 위한 구조를 내장하고 있어 사용자가 탄탄하고 시간 결정성 코드를 효율적으로 작성해 시간 결정적인 작업이 손실 없이 일관되고 안정적으로 실행되도록 하여 통신 스택의 MAC 및 기타 상위 계층과 관련된 기능을 지원합니다. 코드 재사용의 중요성을 이해하는 LabVIEW Communications는 사용자가 기존 IP를 가져와 재사용할 수 있도록 C 및 C++를 포함한 다른 프로그래밍 언어도 지원합니다.

FPGA 코드 개발

계산 집약적인 디지털 신호 처리 또는 시간 결정적 MAC 계층 작업과 같이 회로 수준의 엄격한 타이밍 결정성을 요구하는 FPGA 기반 어플리케이션을 위해 LabVIEW Communications는 무선 통신 어플리케이션 FPGA IP를 생성하는 데 필요한 모든 소프트웨어 개발 도구를 제공합니다. 회로 요소를 기반으로 하는 복잡한 대규모 FPGA 어플리케이션을 개발하는 것 외에도 LabVIEW Communications는 여러 신호 처리 기능을 위한 Xilinx IP를 포함하며 HDL 코드의 다른 소스를 재사용하여 생산성을 향상시킬 수 있도록 합니다. LabVIEW Communications에는 또한 정확한 주기의 시뮬레이션 및 디버깅 도구가 내장되어 있어 오래 걸리는 컴파일 전에 코드의 오류를 제거할 수 있습니다.

긴밀한 하드웨어 및 소프트웨어 통합

이기종 하드웨어 타겟을 위한 실시간 무선 통신 어플리케이션 코드의 개발 프로세스를 개선하는 것 외에도 LabVIEW Communications는 어플리케이션 코드를 주변 하드웨어와 통합하는 프로세스를 단순화하여 소프트웨어와 하드웨어가 원활하게 함께 작동하도록 합니다. 다중 RF 채널의 동기화된 트리거링 또는 Massive MIMO의 경우에서처럼 채널 호혜성을 지원하기 위한 RF 교정과 같이 MIMO 시스템의 성능에 매우 중요한 하드웨어 관련 작업을 위해 LabVIEW Communications는 타이밍 및 동기화, RF 회로 제어, 처리 타겟 간의 데이터 스트리밍 등 수많은 하드웨어 작업을 위한 광범위한 소프트웨어 API도 제공합니다. 또한 여러 공급업체의 하드웨어를 결합하는 다른 시스템과 달리 NI는 MIMO 프로토타이핑 시스템용 하드웨어와 소프트웨어를 모두 개발하기 때문에 하드웨어 및 소프트웨어 통합을 안정적이고 일관되게 수행할 수 있으므로 전체 시스템이 항상 예상대로 예측 가능하게 작동하는 것을 보장합니다.

MIMO 어플리케이션 프레임워크는 LabVIEW Communications에 구축된 고급 FPGA 기반 소프트웨어 참조 설계로서 MIMO 프로토타이핑 SDR 하드웨어와 쌍을 이뤄 SU-MIMO, MU-MIMO 및 Massive MIMO 연구 및 실험을 위한 완전한 실시간 무선 프로토타이핑 솔루션을 제공합니다.  MIMO 애플리케이션 프레임워크는 구입 즉시 사용할 수 있어 추가 수정이나 코드 개발 없이 완전한 기능을 갖춘 MIMO 시스템을 신속하게 설치하고 실행할 수 있습니다.  또한 모든 FPGA 및 호스트 소스 코드가 MIMO 애플리케이션 프레임워크와 함께 제공되기 때문에 연구원들은 불완전하고 고도로 추상화된 가정을 사용하여 부정확한 결과를 초래하는 데스크탑 시뮬레이션에 의존하지 않고 시스템을 자체 맞춤형 설계와 알고리즘으로 완전히 수정하여 실제 조건에서 기술 성능을 평가할 수 있습니다.

맞춤형 설계를 구축하기 위한 뛰어난 시작점을 제공하므로 자체 솔루션을 처음부터 개발하는 데 필요한 엄청난 시간을 절약할 수 있습니다.  빡빡한 예산 제약 하에서 시기적절한 결과의 중요성을 이해하는 MIMO 어플리케이션 프레임워크는 많은 MIMO 통신 시스템의 공통 기능 및 능력의 광범위하게 포괄하는 기본 세트를 제공하는 소프트웨어 참조 설계를 보급하여 MIMO 프로토타입 및 PoC의 개발 프로세스를 가속화합니다.  이러한 기본 기능 세트를 사용하면 연구자들이 완전한 시스템을 처음부터 만들 때 생기는 문제를 해결하는 데 어려움을 겪지 않고 연구 목표에 특화된 새로운 기능 및 능력 개발에 시간과 노력을 집중할 수 있습니다.  어플리케이션 코드 개발에 소요되는 시간을 줄임으로써 연구자는 가장 중요한 일, 즉 결과를 달성하는 데 집중할 수 있는 것입니다.

MIMO 어플리케이션 프레임워크 기능

MIMO 어플리케이션 프레임워크는 기지국 및 모바일 스테이션에서 업링크 및 다운링크 전송을 모두 지원하는 확장 가능한 다중 사용자 MIMO PHY 계층 완전 스트리밍 실시간 다중 FPGA를 구현합니다. 다양한 MIMO 기반 어플리케이션에 사용하도록 설계된 MIMO 어플리케이션 프레임워크는 아래 목록에 요약된 기능을 포함합니다.

• • SU-MIMO, MU-MIMO 및 Massive MIMO 지원
  • 50MHz – 6GHz 주파수 범위
  • 20MHz 대역폭 TDD UL & DL
  • 기지국 안테나 수 2개에서 128개까지 확장 가능
  • 모바일 스테이션 안테나 수 12개까지 확장 가능
  • 최대 12개의 공간 스트림 지원
  • LTE 기반의 완전 재구성 가능한 프레임 구조
  • 128x12 MMSE, ZF 및 MRC MIMO 프리코더/이퀄라이저 FPGA IP
  • 4 QAM, 16 QAM, 64 QAM, 256 QAM 지원
  • 호혜성 기반 프리코딩을 가능하게 하는 채널 호혜성 교정
  • AGC 및 개방 루프 전원 제어
  • 무선 동기화
  • 기본 MAC 기능은 DL 및 UL에서의 패킷 기반 사용자 데이터 전송을 지원하여 비디오 전송과 같은 데이터 스트리밍 어플리케이션을 지원합니다.

다음 섹션에 이러한 기능에 대한 추가 세부 정보가 포함되어 있습니다.

단일 사용자 MIMO 및 다중 사용자 MIMO

MIMO 어플리케이션 프레임워크는 단일 코드 베이스 내에서 SU-MIMO, MU-MIMO 및 Massive MIMO를 모두 지원합니다.  아래 그림 7에 표시된 바와 같이, (1) 모바일 스테이션 수 및 (2) 시스템 내 모든 디바이스의 안테나 수, 즉 기지국과 모바일 스테이션의 총 안테나 수를 다르게 하여 다양한 네트워크를 구성할 수 있습니다.  SU-MIMO 실험을 위한 단일 기지국 및 모바일 스테이션 쌍에서 MU-MIMO 실험을 위한 각각 다양한 안테나 수를 가진 여러 모바일 스테이션 구성까지 MIMO 애플리케이션 프레임워크는 Massive MIMO를 포함한 여러 MIMO 어플리케이션의 까다로운 요구 사항을 충족하는 유연성과 확장성 면에서 타의 추종을 불허합니다.

그림 7. 다중 사용자 MIMO(MU-MIMO)와 단일 사용자 MIMO(SU-MIMO) 비교.

조절 가능한 기지국 및 모바일 스테이션 안테나 수

MIMO 기지국과 모바일 스테이션은 어플리케이션의 요구 사항에 따라 다양한 수의 안테나로 구성될 수 있습니다.  MIMO 어플리케이션 프레임워크는 업링크 및 다운링크 방향 모두에서 최대 12개의 공간 계층을 지원하며 필요한 경우 추가 계층을 지원하도록 수정될 수 있습니다.  이러한 기능 덕분에 한 네트워크 내의 모든 모바일 스테이션과 기지국에서 다양한 MIMO 구성을 실현할 수 있습니다.  표 1에 나열된 다양한 MIMO 구성의 몇 가지 예가 MIMO 어플리케이션 프레임워크를 사용하여 SU-MIMO, MU-MIMO 및 Massive MIMO에 대한 실험을 수행할 수 있는 방법을 보여줍니다.  MIMO 어플리케이션 프레임워크의 사용은 이 세 예로 제한되지 않으며 다양하게 사용될 수 있습니다. 

MIMO 어플리케이션 프레임워크는 사용자가 FPGA 설계를 변경하거나 수정할 필요 없이 소프트웨어를 통해 안테나 수를 변경할 수 있도록 함으로써 SDR 하드웨어 및 하위 PHY 계층의 원활한 제어를 제공합니다.  이 동급 최고의 소프트웨어 경험은 사용자에게 MIMO 실험을 구성하고 수행하는 전체 프로세스를 단순화할 수 있는 높은 수준의 유연성을 제공합니다.

표 1.  MIMO 어플리케이션 프레임워크를 사용하는 다양한 MIMO 구성의 예.  MIMO 어플리케이션 프레임워크의 사용은 이 세 예로 제한되지 않으며 다양하게 사용될 수 있습니다.

MIMO 프리코딩 및 균등화

MIMO 어플리케이션 프레임워크에는 최대 128x12의 매트릭스 크기에 대해 다운링크(DL)에서의 MIMO 프리코딩과 업링크(UL)에서의 MIMO 균등화를 수행하기 위한 실시간 FPGA IP가 포함되어 있습니다. 여기서 128은 최대 기지국 안테나 수에 해당하고 12는 최대 공간 스트림 수에 해당합니다. Massive MIMO 기지국에 대한 신호 처리 체인의 블록다이어그램이 아래 그림 8에 나와 있습니다.  MIMO 어플리케이션 프레임워크는 채널 호혜성을 활용하기 위해 TDD 프레임 구조를 사용합니다. UL에서 얻은 채널 추정치는 전송 전에 DL MIMO 프리코더를 계산하는 데 사용됩니다.  채널 조건에 따라 프리코딩된 DL MIMO 신호는 간섭 없이 각 모바일 스테이션에서 수신됩니다.  MIMO 어플리케이션 프레임워크에는 MMSE(최소 평균 제곱 오차), ZF(제로 포싱) 및 MRC(최대 비율 결합)와 같이 소프트웨어로 선택할 수 있는 3가지 내장 MIMO 이퀄라이저 옵션이 포함되어 있습니다.

그림 8.  Massive MIMO 기지국 신호 처리 체인의 블록다이어그램

채널 호혜성 교정

채널 호혜성을 활용하려면, UL 채널 응답의 정확한 추정을 포함하며, 기지국 및 모바일 스테이션의 각 안테나 채널에서의 RF 회로의 영향을 제외하고 여러 조건을 충족해야 합니다. 이를 위해 MIMO 어플리케이션 프레임워크에는 다양한 기지국 RF 프런트엔드의 보정을 수행하는 자동화된 루틴이 포함되어 있어 각 RF 체인의 주파수 응답이 UL 및 DL 방향 모두에서 추정됩니다. 그런 다음 RF 프론트엔드의 추정치는 UL 채널 추정 프로세스에 적용되어 무선 채널만의 정확한 측정이 달성되도록 합니다.

LTE 기반 20MHz 대역폭 TDD 프레임 구조

MIMO 어플리케이션 프레임워크는 TDD 무선 프레임 구조와 같은 3GPP LTE를 사용합니다.  이 무선 프레임 구조는 소프트웨어를 통해 전체를 수정할 수 있으므로 FPGA 설계를 추가로 변경할 필요가 없으며 사용자가 연구 목표 및 요구 사항을 충족하기 위해 모바일 스테이션별로 시스템 동작을 신속하게 조정할 수 있습니다.  프레임 구조에 대한 이러한 수정에는 아래와 같이 파라미터를 변경할 수 있는 기능이 포함됩니다.

• • OFDM 심볼 유형:  UL 파일럿, UL 데이터, DL 파일럿, DL 데이터, UL/DL 스위치 가드 시간.
  • 공간 계층당 4QAM – 256QAM의 QAM 변조 차수.

무선 프레임 구조의 다이어그램이 그림 9에 표시되어 있으며, 여기에는 프레임 레벨에서 OFDM 심볼 레벨까지의 정보가 포함됩니다.  표 2에는 다른 시스템 파라미터에 대한 추가 정보도 나열되어 있습니다.  20MHz 전송 모드에서 LTE 표준과의 유사성에 유의하십시오[9].

그림 9. 어플리케이션 프레임워크 TDD 신호 프레임 구조

테이블 2. MIMO 어플리케이션 프레임워크 시스템 파라미터

자동 게인 제어 및 개방 루프 전력 제어

전력 제어의 중요성을 이해하는 MIMO 어플리케이션 프레임워크에는 전력 수준을 자동으로 조정하는 소프트웨어 루틴이 포함되어 있습니다.  여기에는 모바일 스테이션 수신기와 기지국의 자동 게인 제어(AGC) 로직과 모바일 스테이션 업링크 송신기의 개방 루프 전력 제어가 모두 포함됩니다.  이렇게 하면 최소한의 오류로 적절하게 복조될 가능성이 높아지는 전력 수준에서 링크의 양쪽 끝에서 신호가 수신됩니다.  또한 전력 수준을 조정하는 프로세스가 완전히 자동화되기 때문에 사용자는 모바일 스테이션에서 많은 RF 트랜시버를 수동으로 조정할 필요가 없어 대규모 네트워크에서 시간이 많이 소요될 수 있는 작업을 없애 구입 즉시 사용자가 빠르게 작업을 시작할 수 있도록 합니다. 

추가 기능 및 샘플 스크린샷

아래에 표시된 일련의 스크린샷은 사용자가 MIMO 어플리케이션 프레임워크의 직관적인 사용자 인터페이스를 통해 모니터링하고 작업하는 방법을 보여줍니다. 기지국과 다중 안테나 모바일 스테이션에 대한 사용자 인터페이스는 둘 다 다중 안테나를 지원하기 때문에 매우 유사합니다. 아래의 예는 기지국과 단일 안테나 모바일 스테이션에 대한 스크린샷을 보여줍니다.

아래 그림 10은 MIMO 어플리케이션 프레임워크의 기지국 "UL MIMO 프로세서" 탭의 스크린샷입니다. 여기에는 최대 12개의 공간 스트림에 대한 업링크 수신 신호 성상의 IQ 플롯이 표시되어 사용자가 전체 시스템이 얼마나 잘 수행되고 있는지를 즉각 이해할 수 있도록 표시하고 수신된 신호 대 노이즈비(SNR)가 어느 정도인지 정성적으로 파악할 수 있도록 합니다.  또한, 그림 10의 상단 및 중앙 부근에 표시된 것은 모든 모바일 스테이션에서 측정된 집계 업링크 수신 신호 처리량으로 이것 또한 사용자가 각 모바일 스테이션 전송 속도에 대한 지식을 기반으로 기지국에서 데이터가 얼마나 성공적으로 수신되었는지 그 정도를 알 수 있도록 합니다.  마찬가지로, 다운링크 전송 속도도 표시되며 유사한 방식으로 다운링크 방향의 전송 품질을 평가하는 데 사용될 수 있습니다. 

그림 10. MIMO 애플리케이션 프레임워크 업링크 수신 성상

아래 그림 11은 MIMO 어플리케이션 프레임워크의 기지국 "UL 데이터" 탭의 스크린샷입니다.  여기에는 시간의 함수로 나타낸 각 공간 스트림에 대한 업링크 처리량의 플롯이 있어 사용자에게 더 오랜 기간 단위의 시스템 성능을 모니터링할 수 있는 추가 수단을 제공합니다.  이 예에서는 4개의 공간 스트림이 기지국에서 수신되며, 각 스트림에 대한 업링크 처리량은 서로 다른 색상으로 표시됩니다.  그림 11에서와 같이, 4개의 스트림 모두에 대한 총 업링크 처리량은 약 54.7Mbps입니다.  더 많은 공간 스트림이 있는 시스템의 경우 다양한 색상의 추가 플롯이 표시된 플롯 위에 겹쳐 표시될 것입니다. 

그림 11. MIMO 애플리케이션 프레임워크 업링크 수신 처리량 측정

아래 그림 12는 MIMO 어플리케이션 프레임워크의 기지국 "UL 채널" 탭의 스크린샷입니다.  여기에는 시간 및 주파수 영역 모두에서 각 모바일 스테이션에 대한 업링크 MIMO 채널 임펄스 응답에 대한 데이터를 제공하는 플롯이 있어 사용자에게 업링크 채널의 전파 특성에 대한 즉각적인 정보를 제공합니다.  이러한 데이터를 사용하여 연구자는 다양한 채널 조건에서 다중 사용자 MIMO 시스템의 동작을 분석하고 이러한 조건에서 시스템 성능을 잠재적으로 개선하기 위한 새로운 알고리즘의 효과를 탐색할 수 있습니다. 

그림 12. MIMO 어플리케이션 프레임워크 업링크 채널 측정

아래 그림 13은 MIMO 어플리케이션 프레임워크의 단일 안테나 모바일 스테이션 "DL 고급 정보" 탭의 스크린샷입니다.  이 화면에는 첫 번째 모바일 스테이션은 QPSK 신호를 수신하고 다른 하나는 16QAM 신호를 수신하는 두 모바일 스테이션에 대한 수신된 DL 신호 성상도 및 주파수 응답의 플롯이 있습니다.  이러한 데이터는 DL 프리코딩 알고리즘의 성능과 프리코딩된 신호가 무선 MIMO 채널을 통해 전파되고 간섭이 없는 각 단일 안테나 모바일 스테이션에서 수신될 때 해당 알고리즘이 다중 공간 스트림을 분리하는 능력에 대한 즉각적인 정보를 제공합니다. 

그림 13. MIMO 어플리케이션 프레임워크 모바일 스테이션 다운링크 수신 성상

아래 그림 14는 MIMO 어플리케이션 프레임워크의 단일 안테나 모바일 스테이션 "DL 정보" 탭의 스크린샷입니다.  여기에는 두 개의 모바일 스테이션에 대한 DL 수신 신호 스펙트럼, 측정된 처리량, 블록 에러율(BLER)의 플롯이 있습니다.  이러한 데이터는 DL 신호의 전송 품질과 다중 사용자 MIMO 프리코딩 방식의 성능을 평가하는 추가 수단을 제공합니다.  이러한 성능 지표는 시스템에서 있는 그대로 사용할 수 있으며 시스템의 PHY 계층에 대한 맞춤형 수정에 적용하여 시뮬레이션이 아닌 실제 배치 조건과 더 유사한 환경에서 기술이 얼마나 잘 작동하는지를 사용자에게 알려주는 데이터를 제공합니다.      

그림 14. MIMO 어플리케이션 프레임워크 모바일 스테이션 다운링크 수신 신호 스펙트럼 및 측정된 처리량

표시되지는 않았지만 MIMO 어플리케이션 프레임워크는 다음을 포함하여 MIMO 시스템의 다른 측면을 모니터링하고 제어하기 위한 소프트웨어 사용자 인터페이스도 제공합니다. 

• • 프레임 구조 설정 – 각 모바일 스테이션에 대해 다양한 MCS 레벨을 선택할 수 있도록 여러 컨트롤이 제공됩니다. 
  • 비디오 스트리밍 – MIMO 어플리케이션 프레임워크는 모바일 스테이션과 주고받는 비디오 신호 또는 기타 어플리케이션 데이터의 스트리밍을 위한 직관적인 UDP 인터페이스도 지원합니다. 
  • 데이터 스트리밍 진단 – 대형 안테나 시스템의 경우 고속 MIMO 처리를 위해 많은 무선 헤드에서 중앙 FPGA 세트로 데이터(IQ 샘플)를 스트리밍하는 것이 매우 어려운 작업이 될 수 있습니다.  스트리밍의 잠재적인 문제를 신속하게 진단하여 오류 없이 데이터를 전송하고 처리할 수 있도록 MIMO 어플리케이션 프레임워크에는 시스템 전체에 있는 여러 버퍼의 상태를 모니터링하는 유틸리티도 포함되어 있습니다. 

MIMO 어플리케이션 프레임워크 상세 기술 백서

MIMO 어플리케이션 프레임워크 기능에 대한 자세한 정보 및 기술 스펙을 보려면 "MIMO 어플리케이션 프레임워크 기술 백서"라는 제목의 아래 링크를 클릭하십시오. 거기에서 여러분은 MIMO 디코딩 및 프리코딩, 채널 추정, OFDM 변조 및 복조 등을 포함한 PHY 계층 알고리즘의 호스트 및 FPGA 구현에 대한 정보를 찾을 수 있을 것입니다. MAC 계층의 구현 및 외부 어플리케이션과의 인터페이스에 대한 정보도 제공됩니다. 이 문서는 시스템의 기능과 연구에 그러한 기능을 더 잘 적용하는 방법을 이해하는 데 도움이 될 것입니다.

MIMO 어플리케이션 프레임워크 다운로드 및 평가

MIMO 어플리케이션 프레임워크의 평가판은 다음 웹사이트에서 다운로드할 수 있습니다. 직관적인 사용자 인터페이스를 둘러보고 호스트 및 FPGA 소스 코드를 읽어 보면서 Massive MIMO를 가능하게 하는 고급 실시간 소프트웨어 아키텍처에 대해 자세히 알아보십시오.

다중 사용자 및 Massive MIMO 시스템 프로토타이핑을 위한 NI 솔루션에 대해 자세히 알아보려면 다음 웹사이트를 방문하십시오.

• • MIMO 프로토타이핑 시스템—MIMO 프로토타이핑 시스템 하드웨어, 소프트웨어 및 IP를 살펴보십시오. 또한 Bristol 및 Lund 대학에서 수행한 Massive MIMO 프로젝트에 대한 심층 사례 연구를 찾아보십시오.
  • LabVIEW Communications 어플리케이션 프레임워크—LTE 및 802.11 프로토타이핑을 위한 기타 어플리케이션 프레임워크에 대해 자세히 알아보십시오.
  • NI 5G 및 6G 연구 및 프로토타이핑—mmWave, LTE 및 Wi-Fi 공존 등과 관련된 NI 및 기타 연구 활동에 대해 자세히 알아보십시오.

The registered trademark Linux® is used pursuant to a sublicense from LMI, the exclusive licensee of Linus Torvalds, owner of the mark on a worldwide basis.