50. 빔포밍 (1)

 

5G STUDY를 하면서 내가 제일 관심있던 기술이 빔포밍이다. 신호를 한데 모아서 빔으로 만들고 이 빔을 원하는 곳으로 보내준다는 게 너무 신기하면서도 재미있어 보여서 관심을 많이 가졌었는데 오늘은 이 빔포밍의 종류에 대해서 자세히 알아보려고 한다.

 

1. 빔포밍

위에서도 간략하게 말했지만, 빔포밍은 이렇게 여러 안테나를 통해 신호의 세기를 특정방향으로 강화해주는 기술을 빔포밍이라고 한다. 

영상 속 빔포밍 설명 그림

 

이러한 빔포밍에도 종류가 있다. 크게 세가지로 나뉘는데 

아날로그 빔포밍, 디지털 빔포밍, 하이브리드 빔포밍

이 그 종류들이다. 눈치가 빠른 사람들은 알겠지만 하이브리드 빔포밍은 아날로그와 디지털 빔포밍을 섞어서 만든 혼종(?)빔포밍이다. 섞는덴 이유가 있다

 

1-1. 아날로그 빔포밍

영상 속 아날로그 빔포밍 설명 그림

 

아날로그 빔포밍과 디지털 빔포밍을 구분하는 가장 큰 차이점은 '빔포밍 과정이 어느 순서에 있는가'이다. 아날로그 빔포밍의 경우 먼저 디지털 신호를 DAC(Digital to Analog Convertor)를 통해서 아날로그 신호로 바꾼 후 PA(Power Amplifier)를 통해 신호를 증폭 시킨다.

 

이후 빔포밍 프로세스를 거쳐 빔을 만들게 된다. 중요한 점은 아날로그 빔포밍을 거치면 하나의 빔밖에 만들지 못한다. 애초에 한 개였던 신호를 DAC를 거쳐 아날로그 신호로 만들었기 때문에 빔도 하나밖에 나올 수 없다.
 

하지만  PA가 하나밖에 없어서 전력 소모 적은점, 비용이 적게 들고 만들기가 쉽다는 장점이 있다.

 

1-2. 디지털 빔포밍

영상 속 디지털 빔포밍 설명 그림

 

디지털 빔포밍은 아날로그 빔포밍과 다르게 빔포밍 프로세스를 먼저하고 난 후 DAC를 거쳐 아날로그 신호로 바꾼다. 이 후 PA를 거쳐 안테나마다 빔을 쏜다. 디지털 빔포밍의 경우 아날로그 빔포밍보다 조금은 복잡하고 파워 소모도 많다. 따라서 비용도 더 많이 든다.

 

그렇다면 디지털 빔포밍을 왜 쓰는 것일까??  

바로 MU-MIMO 때문이다. 아날로그 빔포밍은 빔을 하나 밖에 만들지 못하기 때문에 MU-MIMO가 불가능하다.

따라서 디지털 빔포밍을 사용해서 여러 user의 신호를 받아 빔포밍 프로세스를 거치고 DAC와 PA를 거쳐서 각 user에 대한 빔을 안테나로 쏠 수 있게끔 해주어야만 MU-MIMO가 가능하게 된다. 

 

그러면 MU-MIMO를 위해서 디지털 빔포밍을 쓰고 거기에 mmWAVE까지 더하면 금상첨화가 아닐까?라는 생각을 할 수 있다. 하지만 전력 문제 때문에 아직은 mmWAVE가 아날로그 빔포밍을 사용하고 있다고 한다. 그래서 이 둘을 섞어서 쓰면 mmWAVE도 쓸 수 있지 않을까? 해서 나온 것이 바로 다음 빔포밍이다.

 

1-3. 하이브리드 빔포밍

영상 속 하이브리드 빔포밍 설명 그림

 

MU-MIMO를 위해서 mmWAVE를 쓰면 정말 좋을거 같은데 이것을 조금 가능하게 할 수 없을까?라는 생각에 답을 줄 수 있는것이 바로 하이브리드 빔포밍이다. 하이브리드 빔포밍은 아날로그와 디지털 빔포밍을 섞은 기술이라고 보면 되는데,

그림에서와 같이 빔포밍 프로세스를 두번 거치고 있다.

 

첫 단에서는 MU-MIMO를 위한 빔포밍 프로세스를 거치고 둘째 단에서는 빔을 만들기 위한 빔포밍 프로세스를 거치는데 이렇게 하는 이유는 바로 PA의 개수를 줄이기 위해서이다.

 

조금 자세히 설명해보면 우선 디지털 빔포밍을 통해서 대부분의 빔 형성을 한 후 DAC를 거쳐 아날로그 신호로 변환을 한다. 이후 아날로그 빔포밍 방식을 통해서 빔의 방향을 조향한다. 이 때 디지털 빔포밍처럼 1안테나 1PA가 아닌 이유는 아날DAC 이후 RF 체인 수가 줄어들기 때문이다.

 

 

이렇게 해서 세가지 빔포밍 방식에 대해서 개념적인 부분을 대략 훑어보았다. 나중에 기회가 된다면 기술적인 측면에서 빔포밍에 대해서 포스팅 해보겠다. 대학원을 가야하나..?

 

 

 

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출처

https://www.youtube.com/watch?v=k57VQTp0cG4&list=PLdjcO8otM2M-uJRGgmv3rHRqMInwHRwMd&index=66