[논문]단일 RF 다중 스트림 지원을 위한 소형 기지국 기술

이경태; 최일도; 김당오; 이주용; 최세환; 김진섭; 조동호

[국내논문] 단일 RF 다중 스트림 지원을 위한 소형 기지국 기술 원문보기

정보와 통신 : 한국통신학회지 = Information & communications magazine, v.32 no.6, 2015년, pp.59 - 61

이경태 (한국과학기술원) , 최일도 (한국과학기술원) , 김당오 (한국과학기술원) , 이주용 (한국과학기술원) , 최세환 (전자부품연구원) , 김진섭 (전자부품연구원) , 조동호 (한국과학기술원)

초록
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기존 MIMO 시스템에서는 안테나의 개수가 늘어날수록 선형적으로 RF 모듈의 개수도 늘어나 전체 시스템의 복잡도와 전력 소모가 심하다. 이를 해결하기 위해 단일 RF 송신구조가 제안되었고, 본 논문에서는 임피던스를 가변하여 안테나에서 방사되는 패턴을 조절하는 기술을 제안한다. 기존 MIMO 시스템의 RF 회로부가 가지는 복잡도와 전력 효율 문제를 해결하기 위해 임피던스 로딩 부분의 실험시제품 제작 및 검증을 수행한다. BPSK와 QPSK 변조방식을 지원하는 임피던스 로딩 보드를 제작하고, 3 m거리에서 무선 송수신 실험을 성공적으로 수행하였다.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 단일 RF구조를 위한 임피던스 로딩보드의 설계및 성능 측정을 기술하였다. 단일 RF 다중 스트림 전송 기술은 기존 MIMO 송신 시스템이 가지는 복잡성과 전력 비효율성을 획기적으로 해결하였으나, 임피던스 로딩부분이 가장 이슈가 된다.

제안 방법

이러한 문제를 해결하기 위해 단일 RF를 사용하는 시스템이 제안되어 왔으며, 그 중에서 특히 임피던스를 조절하여 안테나에 흐르는 전류를 제어하는 beamspace MIMO 개념이 제안되었지만 4세대 이동통신에 적용될 만큼 방사패턴이 스위칭 되는 속도가 빠른 경우는 아직 구현이 되지 않았다. [1]-[3] 본 과제에서는 단일 RF 개념을 사용하여 다중 스트림 전송을 제안하고, 더 나아가 BPSK 및 QPSK 변조를 지원하는 임피던스 로딩 보드를 제작하여 실측하고, 3 m 거리에서 송수신 테스트를 성공적으로 진행하였다.
제안하는 단일 RF 시스템은 <그림 1>과 같다. 모든 안테나에 전력을 공급하고 이를 공유하면서 전류를 제어하여 전송하는 개념으로 전력 공유 기반 빔공간 MIMO 시스템을 제안한다. Oscillator(VCO)에서 carrier frequency가 증폭되어 임피 던스 loading block으로 인가가 되며, 모뎀에서 나온 M개의 I, Q 신호는 DSP 보드에서 임피던스 로딩부에 인가될 3*M개의 L, C값 및 50옴 매칭을 위한 값을 계산하여 임피던스 loading block에 전달된다.
Oscillator(VCO)에서 carrier frequency가 증폭되어 임피 던스 loading block으로 인가가 되며, 모뎀에서 나온 M개의 I, Q 신호는 DSP 보드에서 임피던스 로딩부에 인가될 3*M개의 L, C값 및 50옴 매칭을 위한 값을 계산하여 임피던스 loading block에 전달된다. 또한 임피던스 loading block에서는 각 안테나에서 신호에 대응되는 전류가 흐를 수 있도록 DSP에서 계산된 임피던스를 안테나에 연결할 수 있도록 설계하였다.
네 가지의 신호를 만드는 자유도를 확보하기 위해 pi network로 임피던스를 만들었다. BPSK 보드와 마찬가지로 임피던스는 lossless component들만으로 구성되어 시스템의 전력 효율을 최대화하였다.
단일 RF 다중 스트림 전송 기술은 기존 MIMO 송신 시스템이 가지는 복잡성과 전력 비효율성을 획기적으로 해결하였으나, 임피던스 로딩부분이 가장 이슈가 된다. 본 논문에서는 차세대 이동통신에서 쓰일 수 있는 스위칭 소자를 이용하였고, BPSK 및 QPSK를 지원하는 임피던스 로딩보드를 성공적으로 제작하고 검증하였다. 좀 더 높은 해상도의 임피던스 로딩 보드를 제작하면 현재 상용화되어있는 4세대 이동통신 송신 시스템을 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 보인다.

대상 데이터

Ⅱ장에서 제안한 임피던스 로딩 보드는 임피던스값을 바꿔서 원하는 전류 혹은 전압을 안테나, 즉 50옴 로드에 인가시켜주어야 한다. Carrier 주파수인 2.375 GHz에서 임피던스를 스위칭 해주기 위해, Analog devices사의 ADG919BRMZ switching chip이 사용되었다. <그림 2> 다른 선행 연구에서는 주로 varactor 다이오드를 이용하여 스위칭하였는데, 이는 추가적인 DAC가 필요하고, 스위칭 시간이 수십 us 정도로 5세대 이동통신에 이용되기에 한계점이 존재한다.

후속연구

<그림 2> 다른 선행 연구에서는 주로 varactor 다이오드를 이용하여 스위칭하였는데, 이는 추가적인 DAC가 필요하고, 스위칭 시간이 수십 us 정도로 5세대 이동통신에 이용되기에 한계점이 존재한다. 본 연구에서 사용된 스위칭 칩은 5 ns 이내의 스위칭 타임을 가지므로 LTE 통신 시스템에 적용될 수 있을 것으로 전망된다.
두 개의 상태가 서로 크기는 같고 위상은 180도 차이나는 것을 알 수 있다. 다만 사용하는 discrete 소자의 오차 등의 이유로 정확한 phase 차이는 180도가 안되고, 두 상태의 magnitude가 정확히 일치하지 않으며, 추후 튜닝 작업을 통해 보정될 필요가 있다.
본 논문에서는 차세대 이동통신에서 쓰일 수 있는 스위칭 소자를 이용하였고, BPSK 및 QPSK를 지원하는 임피던스 로딩보드를 성공적으로 제작하고 검증하였다. 좀 더 높은 해상도의 임피던스 로딩 보드를 제작하면 현재 상용화되어있는 4세대 이동통신 송신 시스템을 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	beamspace MIMO란 무엇을 제어하는가?	이러한 문제를 해결하기 위해 단일 RF를 사용하는 시스템이 제안되어 왔으며, 그 중에서 특히 임피던스를 조절하여 안테나에 흐르는 전류를 제어하는 beamspace MIMO 개념이 제안되었지만 4세대 이동통신에 적용될 만큼 방사패턴이 스위칭 되는 속도가 빠른 경우는 아직 구현이 되지 않았다. [1]-[3] 본 과제에서는 단일 RF 개념을 사용하여 다중 스트림 전송을 제안하고, 더 나아가 BPSK 및 QPSK 변조를 지원하는 임피던스 로딩 보드를 제작하여 실측하고, 3 m 거리에서 송수신 테스트를 성공적으로 진행하였다.
	N x N MIMO 시스템의 장점은?	현재 상용화되어 있는 N x N MIMO 시스템의 경우 안테나 N개를 사용하고 각 안테나 별로 RF chain을 연결하여 SISO 대비 최대 N배의 용량 이득을 얻을 수 있다. 하지만, 통신 용량을 증가시키기 위해 안테나 개수를 늘리면, 그에 따라 RF부의 개수도 선형적으로 늘어나기 때문에, 5세대 이동통신의 각광받는 후보중 하나인 Massive MIMO 같은 수십~수백개의 안테나가 제안되는 구조에서는 복잡도와 전력 효율 문제로 사용되기에 어려움이 많다.
	N x N MIMO 시스템의 단점은?	현재 상용화되어 있는 N x N MIMO 시스템의 경우 안테나 N개를 사용하고 각 안테나 별로 RF chain을 연결하여 SISO 대비 최대 N배의 용량 이득을 얻을 수 있다. 하지만, 통신 용량을 증가시키기 위해 안테나 개수를 늘리면, 그에 따라 RF부의 개수도 선형적으로 늘어나기 때문에, 5세대 이동통신의 각광받는 후보중 하나인 Massive MIMO 같은 수십~수백개의 안테나가 제안되는 구조에서는 복잡도와 전력 효율 문제로 사용되기에 어려움이 많다.

참고문헌 (3)

M. Sedaghat, R. Mueller, and G. Fischer, "A Novel Single-RF Transmitter for Massive MIMO", 2014 18th International ITG Workshop on Smart Antennas (WSA) , March 2014.
O. Alrabadi, J. Perruisseau-Carrier, and A. Kalis, "MIMO Transmission Using a Single RF Source: Theory and Antenna Design", IEEE Transactions on antennas and propagation, vol. 60. pp. 654-664, February 2012

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B. Han, V. Barousis, C. Papadias, A. Kalis, R. Prasad, "MIMO over ESPAR with 16-QAM Modulation", IEEE Wireless Communication Letters, vol. 2, pp. 687-690, October 2013.

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