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❖ 스마트 안테나 기술 개발 동향
이동통신 시스템은 셀 간 혹은 셀 내에서 발생되는 동일채널 간섭신호와 다중경로 페이딩, 도플러와 같은 무선 채널 특성에 의해 시스템 성능과 용량이 제한된다. 이러한 성능 저하 요소에 대응하여 전체 시스템 용량을 늘릴 수 있는 기술 중 하나가 스마트 안테나 기술이다. 스마트 안테나는 여러 개의 안테나 센서를 일정한 간격으로 둔 배열 안테나와 기저 대역에서의 신호 처리가 결합된 기술로, 시스템에 공간 처리 능력을 더함으로써 설계의 자유도를 증가시켜 전체 성능을 향상시킬 수 있도록 한다. 본 고에서는 스마트 안테나 기술에 대해 기술하고 기술개발 동향을 소개한다.
I. 머리말
이동통신시스템의 성능 및 용량은 셀 간 혹은 셀 내에서 발생되는 동일채널 간섭신호와 경로손실, 다중경로 페이딩, 신호의 지연 및 도플러 확산 및 음영현상 등의 무선 전파채널 특성에 의해 근본적으로 제한된다. 따라서 현재의 이동시스템은 이러한 성능 및 용량 제한현상에 대한 보상기술로 전력제어, 채널코딩, RAKE 수신, 디버시티 안테나, 셀의 섹터화, 주파수 분할, 대역확산 등의 기술을 응용하고 있는 실정이다[1-3]. 그러나 이동통신 서비스의 욕구가 점차 다양해지면서 그 수요도 크게 늘어남에 따라 기존의 기술만으로는 증대되는 고성능, 고용량의 필요를 충족시키기는 점차 어려워질 것으로 판단된다. 그 외에도 여러 패킷 및 영상 신호 전송을 위한 고성능 데이터 및 영상 서비스 시스템에 대한 필요도 크게 부각되고 있는 것이 현 실정이어서, 21세기 이동통신시스템은 기존의 셀룰러 및 개인휴대통신과 비교할 때 고품질에 훨씬 높은 용량을 필요로 하는 멀티미디어 통신서비스가 될 것이며, 음질조차도 유선 통화음질 정도나 그 이상의 고품질 음성 서비스를 요구받게 될 것이다[4]. 이러한 간섭신호 및 채널 특성에 의한 성능 열화 현상에 대한 해결책으로 상용화 개발가치가 가장 높은 유망 핵심기술로 평가되어지고 있는 것이 스마트 안테나 기술이다. 기존의 두 개 디버시티 안테나를 사용하여 다중경로 신호를 결합하는 경우와는 달리 스마트 안테나 기술은 배열 안테나와 첨단 고성능 디지털 신호처리 기술을 이용하여 RF 신호환경의 변화에 따른 적응적 안테나 빔 패턴 제어에 의해 송ㆍ수신 성능 및 용량의 극대화를 가능케 하는 첨단 신호처리 및 안테나 기술이다. 즉, 전 방향으로 방사 빔을 형성하는 대신 해당 가입자에게만 지향성의 빔을 방사함으로써 섹터에서 활동하고 있는 전 가입자에게 신호간섭 효과를 최소화함으로써 통신품질과 시스템 채널용량을 그 만큼 높일 수 있는 기술이다. [5-12]
II. 구성과 기능
스마트 안테나는 안테나 배열 크기에 따라 기지국 그리고(또는) 단말기에 위치할 수 있다. 스마트 안테나가 기지국에 위치할 경우, 상향 링크에서 적응적으로 원하는 방향으로부터 수신하고 하향 링크에서는 적응적으로 원하는 방향으로 송신하도록 하여 원하는 사용자에게 안테나 이득과 다양성 이득을 증가시키는 동시에 상향 링크에서 다른 방향으로부터 수신되는 간섭 신호나 하향 링크에서 다른 방향으로 송신되는 간섭 신호를 줄일 수 있다. 이렇게 스마트 안테나를 사용하면, 더 많은 사용자를 수용할 수 있으며 그에 따라 시스템 용량을 늘릴 수 있다. 스마트 안테나의 구성과 기능은 다음과 같다. [5-7, 12]
○ Antenna Array: 다수의 안테나로 구성되어 원하는 안테나 빔 패턴을 생성하는데, 안테나 수가 증가할수록 빔 패턴이 좁아져서 성능이 증가하지만 시스템의 복잡도를 고려하여 보통 4~12개가 사용된다. 안테나 형태로는 Uniform Linear Array, Uniform Circular Array 등이 있다.
○ RF Transceiver: 배열 안테나 수와 동일하게 사용되며, 각 배열 안테나로부터 입력된 RF 입출력 신호에 대한 Up/Down converter RF/IF 모듈로 구성되어 진다.
○ 빔형성기: 원하는 사용자 방향으로의 빔형성을 위한 방법으로 스위칭형 빔형성(Switched Beamforming) 방식과 적응형 빔형성(Adaptive Beamforming) 방식이 있다. 스위칭형 빔형성 방식은 미리 몇 개의 방향에 대한 가중치 벡터를 설정하여 빔형성을 하는 방법이고, 적응형 빔형성 방식은 원하는 사용자 신호 대 간섭 신호의 비를 최대화하도록 원하는 사용자의 위치에 따라서 가중치 벡터를 계속 갱신하는 방법이다. 빔 형성을 위해 Weight 벡터를 계산하기 위해 다양한 적응형 알고리듬이 사용된다. 일반적으로 DOA(Direction of Arrival)에 의하여 Weight 벡터를 구하는 방법과 Time Reference에 의하여 Weight 벡터를 구하는 방법이 있으며, 빔형성을 위한 가중치 벡터의 실시간 계산을 위하여 고도의 DSP 처리기술이 필요하다.
○ RF Calibration: Multi-channel 수신기의 각 배열 안테나 소자 특성의 미세한 차이에도 불구하고 고주파 캐리어의 진폭과 위상에는 큰 변화를 주어 근본적으로 빔 형성기의 성능을 저하시키는 원인이 된다. 따라서 각 안테나 소자의 특성 차이를 보상하고, 배열 안테나간 RF 채널 송수신기의 진폭과 위상의 차이를 보정하는 것이 필요하다. 안테나 오차 보정은 Off-line Calibration 방법을 사용하고, RF 채널 오차 보정은 On-line Calibration이 일반적으로 사용된다. 실제 시스템에서는 실시간 제어에 의해 이를 보상할 수 있는 On-line Calibration이 요구된다.
III. 방식별 특성
스마트 안테나는 빔 형성 방식에 따라 여러 가지 방식으로 분류된다. 빔은 여러 안테나 별 가중치에 따라 모양이 결정되며, 이 가중치는 기지국과 단말기간의 채널을 추정하여 구한다. 채널을 추정하는 방법은 크게 세 가지로 나눌 수 있으며, 첫번째는 SMI(Sample Matrix Inversion) 방식으로 입력 신호벡터의 Covariance Matrix를 이용하여 가중치를 계산한다. 두번째는 RLS(Recursive Least Square) 방식으로 SNR(Signal to Noise Ratio)가 높을 때 사용하는 방식으로 다음의 LMS(Least Mean Square) 방식에 비해 수렴 속도가 빠른 장점이 있다. 세번째 N(normalized)-LMS 방식으로 3개 방식 중에 제일 복잡도가 낮으나, 성능이 적응 상수에 따라 많은 영향을 받는 단점이 있다. 한편, CDMA시스템에서는 안테나 별 가중치를 칩별 또는 심볼 별로 곱해줄 수도 있으며, 칩 별로 가중치를 곱하는 방식(Chip Level Beamforming: CLB)에서는 신호를 역확산(Despreading)하기 전에 빔을 형성하며, 심볼 별로 가중치를 곱하는 방식(Symbol Level Beamforming: SLB)에서는 신호를 역확산한 후에 빔을 형성한다. 성능은 CLB가 SLB에 비하여 우수하나, 구형이 복잡한 단점이 있다.
<표 1>은 채널 추정법에 따라 기지국에서 단말기까지 순방향 링크의 빔형성 방식을 분류한 것으로, 순방향 채널을 추정하는 방법에 따라 크게 세 가지로 분류된다. 첫번째는 ‘Blind’ 방식으로 역방향 수신 데이터를 이용하여 순방향 채널을 추정하는 방법이다. 일반적으로 채널 벡터는 신호 방향과 관계되는 배열 응답 벡터와 기지국과 단말기 사이의 산란체에 의한 페이딩 계수 성분으로 나눌 수 있는데, 이중 배열 응답 벡터는 역방향과 순방향이 동일하므로 역방향 데이터로 추정할 수 있다. 역방향으로부터 방향을 구하는 방식에는 크게 subspace 방식과 방위각 전력 분포(Azimuth Power Spectrum: APS)를 이용한 방식이 있다. Subspace 방식은 역방향 수신 데이터를 각 안테나별로 역확산하여 구한 공간 상관 행렬의 가장 큰 고유치에 해당하는 고유 벡터를 이용하여 배열 응답 벡터를 추정하는 방법으로 채널 코히런스 시간보다 충분히 긴 시간동안 평균하여 구한 역방향 공간 상관 행렬과 순방향 공간 상관 행렬은 서로 동일하다는 것을 전제로 한다. 방위각 전력 분포를 이용한 방식은 각도별로 수신되는 전력을 계산하고 임계치와 비교하여 신호의 도래각을 추정하는 방식이다. 이러한 blind방식은 역방향 데이터만으로 순방향 채널 특성을 추정할 수 있다는 장점이 있으나, 순방향 채널 추정 정확도를 높이기 위해서 코히런스 시간보다 훨씬 더 긴 시간 동안 평균을 해야 하므로 시간 지연이 상대적으로 크다는 것과 단말기의 이동이 없는 경우에는 직접 적용하기가 어렵다. 또한, 시간에 따른 채널의 평균 특성을 이용하므로 시간에 따라 특성이 변하는 순방향 채널환경에 적응적으로 빔형성을 수행할 수 없으므로 순방향 링크에서 페이딩 감소 효과를 얻을 수 없다.
두번째는 ‘Semi-blind’ 방식이다. Semi-blind 방식은 다시 단말기가 추정한 순방향 subspace를 피드백받는 방식과 순방향 페이딩 계수만 단말기로부터 피드백받는 방식이 있다. Subspace 피드백 방식은 Full feedback 방식의 단점을 보완한 것으로 기지국은 여러 개의 프로브(probe) 신호를 송신하고 단말기는 상관 행렬을 구하여 기지국에 피드백한다. 이는 시간에 따라 변하는 순방향 채널의 페이딩 특성 대신 일정 시간 동안 평균하여 얻은 상관 행렬을 기지국으로 피드백하므로 피드백 데이터 양을 줄이면서 기지국이 방향과 관련된 정보를 얻을 수 있으나, 피드백 데이터 양이 여전히 많고 빠른 페이딩(fast fading)으로 시간에 따라 변하는 페이딩 계수를 추정할 수 없다. 페이딩 계수 피드백 방식은 신호 방향은 캐리어 주파수와 관계없다는 채널대칭성(channel reciprocity)을 이용하는 것으로 역방향 데이터를 이용하여 신호 방향을 추정하고 페이딩 성분만 단말기로부터 피드백 받아 순방향 채널을 추정한다. 그러나 이 방식은 채널 전파특성에 각도 확산이 없다는 것을 전제로 하고 있어, 각도 확산이 존재하는 실제 이동통신 채널 환경에서는 직접 적용할 수 없다.
세번째는 ‘Full Feedback’ 방식으로 기지국이 일정한 시간 간격으로 배열 안테나를 구성하는 방사 소자 개수 이상의 프로브 신호(probe sequence)들을 송신하고 단말기가 각 프로브 신호를 분석하여 얻은 채널의 시간에 따른 변화 특성을 기지국에게 피드백 해주는 방식이다. 이 방법은 방향과 순방향 채널 페이딩 계수를 정확히 추정할 수 있다는 장점이 있으나, 빠르게 이동하는 사용자에 대한 채널 벡터를 추적하기 위해서는 단말기 피드백 양이 증가하여 실제로 구현하기는 거의 불가능하다.
IV. 기술개발 동향
스마트 안테나 기술은 기관별로 혹은 공동기술연구 협의체 구성을 통하여 유럽, 미국 등 선진국을 중심으로 많은 연구가 진행되고 있으며, 국내에서는 한국전자통신연구원에서 스마트 안테나 원천기술과 시스템 설계 및 개발에 관한 연구가 진행되고 있고 일부 학교에서 알고리듬 연구가 진행되고 있다. 국외에서는 현재 FDMA 및 TDMA 방식의 이동시스템을 위한 스마트 안테나 시스템 연구개발은 상용화 수준까지 상당히 진척된 것으로 보이나, CDMA 방식에 기초한 본격적인 스마트 안테나 시스템 연구개발 및 구현은 아직 미진한 상태이다. [11]
미국의 퀄컴사도 스탠포드 대학과 공동연구를 수행한 바 있으며, Virginia Polytechnic의 MPRG, AT&T, Lucent Technlogy, Celwave, Hazeltine Corp., Metawave Communications Corp., ArrayComm, Inc. 등과 같은 회사들이 이미 이 분야의 연구개발에 적극적으로 참여해 오고 있다. 대부분 switched-beam 방식의 안테나 시스템을 실험 운용하거나 상용화하는 연구개발 노력을 기울이고 있으며, 최근에는 Lucent Technology가 동기식 cdma2000 시스템에 Full adaptive 스마트 안테나 기술을 적용한 RTT를 ITU-R에 제안한 이후 IMT-2000 CSAS 시스템 개발에 적극적인 노력을 기울여 온 것으로 파악된다. 유럽은 RACE II(1992~1994)의 TSUNAMI I R2108 연구 프로젝트와 ACTS(1995~1997)의 TSUNAMI II AC020 연구 프로젝트를 통해 각각 DECT/TDMA/SDMA 및 DCS1800/TDMA/SDMA 축소모형 하부구조에 적용한 스마트 안테나 시스템의 적용가능성 및 경제성을 시연했다. 가장 최근에 유럽은 SUNBEAM 프로젝트를 통해 비동기식 WCDMA 스마트 안테나 시스템을 연구 개발하였다. 일본 NTT DoCoMo도 자신들의 비동기식 IMT-2000 표준 RTT에 기반을 둔 스마트 안테나 시스템 개발에 노력을 기울이고 있다.
스마트 안테나 시스템의 상용시험 또는 설치 예로는 Ericsson이 독일의 이동사업자인 Mannesmann Mobilfunk GmbH와 공동연구 끝에 상용 GSM 망에서 실제 운영시험을 한 바 있고(1998년 8월), AT&T는 IS-136 시스템 망을 브라질에 설치할 때 4-element 스마트 안테나 기지국 시스템을 설치할 수 있도록 설계하여 선택사항으로 설치 운용토록 하였다. 한편, 스마트 안테나 시스템의 상용제품 개발 사례는 미국의 Metawave사와 ArrayComm사에 의한 시스템 제작판매가 대표적인 경우이다. Metawave 시스템(상품명: SpotLight-2000)의 지능성은 12개의 배열 안테나 시스템으로 약 40% 정도 수준의 용량증대를 보장하는 빔 스위칭에 의한 고정 빔형성 방식의 수준을 벗어나지 못하고 있으나, ArrayComm의 시스템(상품명: IntelliWave WLL)은 특수한 identification 알고리듬에 기초한 일종의 Full adaptive 빔형성 방식으로 보다 나은 성능(고성능의 음질 보장) 및 용량 개선을 제품에서 선보이고 있다. ArrayComm의 시스템은 모두 WLL 응용 위주의 시스템으로서 일본의 PHS 무선접속 인프라에 IntelliWave WLL을 접목하여 개발된 시스템을 상당수 실전 배치하였으며, 음질과 잦은 통화불통의 문제를 상당히 해결한 것으로 알려지고 있다.
한국전자통신연구원에서는 1997년도부터 스마트 안테나기술을 연구개발해 왔다. 1997년에는 빔형성 알고리듬, S-T 배열 송ㆍ수신기 및 S-T 송ㆍ수신기 구조 연구에 기초한 CA3TS (CDMA Adaptive Antenna Array Testbed System) 개발, CA3TS 의 현장시험을 통한 IMT-2000 스마트 안테나 시스템의 Extrapolated field 성능분석을, 1998년에는 빔형성 알고리듬, 성능분석 시뮬레이션 프로그래밍 및 Searcher 빔형성 방식의 복조기 구조에 관한 기초연구를, 1999년에는 타깃 빔형성 알고리듬 비교선정 및 설계, 스마트 안테나 시스템 설계 및 성능분석, S-T 배열 송ㆍ수신기 설계, 오차보정(Calibration) 기술연구를, 2000년에는 3G IMT-2000/cdma2000/FDD용 동기식 CSAS(CDMA Smart Antenna System) 개발을 위한 서브시스템 설계 및 실시간 처리 기술 연구수행을, 2001년에는 3G IMT-2000/WCDMA/FDD용 비동기식 CSAS 및 3G IMT-2000/WCDMA/TDD용 동기식 CSAS에 대한 연구를 수행하여 왔다. 2002년부터는 그동안 축적된 기술을 이용하여 비동기식 IMT-2000에 적용되는 WCDMA 스마트안테나 기지국 테스트베드를 개발하고 있으며, 앞으로는 지금까지의 기술을 바탕으로 4세대 초고속 이동통신시스템에 사용될 수 있는 스마트안테나 기술을 개발할 계획이다.
V. 맺는 말
스마트 안테나 시스템의 설계개발 목표는 다중경로 간섭신호 제거 능력의 극대화를 통한 C3Q(Capacity, Coverage, Cost and Quality) 개선에 있다. 현재, 기술적인 관점에서 기지국에서 이동 가입자 혹은 단말기로 향해 지향성 빔형성을 하기 위한 고성능 알고리듬 개발이 중요한 이슈가 되고 있으며, 저렴한 가격의 고성능 RF부의 대량생산을 위한 오차 보정 기술 및 특수 서비스 목적의 가입자 위치확인기술도 중요한 핵심기술로 되어 있다. 최근에는 무선 멀티미디어의 서비스 확장으로 인하여 순방향 링크에서의 고속 데이터 전송 및 용량 증대를 위해 순방향 빔 형성 기술과 TX 디버시티, Space-Time Coding 등의 접목을 통한 다양한 연구개발 시도가 요구되고 있다. 또한 스마트 안테나를 사용하여 차세대 무선전송규격을 만들려면 스마트 안테나 방식에 최적화하는 방식으로 듀플렉스 방식, 반송파 대역, 변조 방식, 제어 채널 및 방송 채널 구조 및 전송 방식, 프레임 구조, MAC 구조 선택 등의 연구가 필요하다.
<참고 문헌>
[1] M. Tangemann, C. Hook, and R. Rheinschmitt, “Introducing adaptive array antenna concepts in mobile communication system,” Proc. RACE Mobile Telecommnunication Workshop, Vol.2, Amsterdam, The Netherlands, May 1994, pp.714-724.
[2] P.W. Baier, A. Papathanassiou, and M. Weckerle, “Recent results on the benefits of adaptive antennas in TD-CDMA mobile radio systems,” Proc. IEEE/IEE Int. Conf. Telecommunications, Vol.1, Cheju, South Korea, June 1999, pp.399-404.
[3] C. Brunner, M. Haardt, and J.A. Nossek, “On space-time rake receiver structures for WCDMA,” Proc. 33rd Asilomar Conf. Signals, Systems, Computers, Pacific Grove, CA, Oct. 1999.
[4] R. Becher, M. Dillinger, M. Haardt, and W. Mohr, “Broad-band wireless access and future communication networks,” Proc. of the IEEE, Vol.89, Jan. 2001, pp.58-75.
[5] K. Sheikh, D. Gesbert, D. Gore, and A. Paulraj, “Smart antennas for broadband wireless access networks,” IEEE Comm. Mag., Nov. 1999, pp.100-151.
[6] G.G. Raleigh and J.M. Cioffi, “Spatio-temporal coding for wireless communications,” IEEE Trans. on Comm., Vol.46, Mar. 1998, pp.357-366.
[7] V. Tarokh, A. Naguib, N. Seshadri, and A.R. Calderbank, “Comined array processing and space-time coding,” IEEE Trans. Inf. Theory, Vol.45, May 1999, pp.1121-1128.
[8] G.J. Foschini, “Layered space-time architecture for wireless communication in a fading environment when using multiple antennas,” Bell Labs Technical Journal, Vol.1, Autumn 1996, pp.41-59.
[9] J. Bach Anderson, “Array gain and capacity for known random channels with multiple element arrays at both ends,” IEEE J. on Sel. Areas in Comm., Vol.18, Nov. 2000, pp.2172-2178.
[10] F.R. Farrokhi, G.J. Foschini, A. Lozano, and R.A. Valenzuela, “Link-optimal space-time processing with multiple transmit and receive antennas,” IEEE Comm. Lett., Vol.5, Mar. 2001, pp.85-87.
[11] Working Party 8F, ITU, “Working document towards preliminary draft new report: technology trends,” 6th Meeting of Working Party 8F, Tokyo, Oct. 2001.
[12] C.B. Dietrich, Jr., W.L. Stutzman, B.G. Lee, and K. Dietze, “Smart antennas in wireless communications: base-station diversity and handset beamforming,” IEEE Ant. and Prop. Mag., Vol.42, Oct. 2000, pp.142-150.
※ 출처 - http://crmo.mic.go.kr/
신성문, 방승찬
이동통신 시스템은 셀 간 혹은 셀 내에서 발생되는 동일채널 간섭신호와 다중경로 페이딩, 도플러와 같은 무선 채널 특성에 의해 시스템 성능과 용량이 제한된다. 이러한 성능 저하 요소에 대응하여 전체 시스템 용량을 늘릴 수 있는 기술 중 하나가 스마트 안테나 기술이다. 스마트 안테나는 여러 개의 안테나 센서를 일정한 간격으로 둔 배열 안테나와 기저 대역에서의 신호 처리가 결합된 기술로, 시스템에 공간 처리 능력을 더함으로써 설계의 자유도를 증가시켜 전체 성능을 향상시킬 수 있도록 한다. 본 고에서는 스마트 안테나 기술에 대해 기술하고 기술개발 동향을 소개한다.
I. 머리말
이동통신시스템의 성능 및 용량은 셀 간 혹은 셀 내에서 발생되는 동일채널 간섭신호와 경로손실, 다중경로 페이딩, 신호의 지연 및 도플러 확산 및 음영현상 등의 무선 전파채널 특성에 의해 근본적으로 제한된다. 따라서 현재의 이동시스템은 이러한 성능 및 용량 제한현상에 대한 보상기술로 전력제어, 채널코딩, RAKE 수신, 디버시티 안테나, 셀의 섹터화, 주파수 분할, 대역확산 등의 기술을 응용하고 있는 실정이다[1-3]. 그러나 이동통신 서비스의 욕구가 점차 다양해지면서 그 수요도 크게 늘어남에 따라 기존의 기술만으로는 증대되는 고성능, 고용량의 필요를 충족시키기는 점차 어려워질 것으로 판단된다. 그 외에도 여러 패킷 및 영상 신호 전송을 위한 고성능 데이터 및 영상 서비스 시스템에 대한 필요도 크게 부각되고 있는 것이 현 실정이어서, 21세기 이동통신시스템은 기존의 셀룰러 및 개인휴대통신과 비교할 때 고품질에 훨씬 높은 용량을 필요로 하는 멀티미디어 통신서비스가 될 것이며, 음질조차도 유선 통화음질 정도나 그 이상의 고품질 음성 서비스를 요구받게 될 것이다[4]. 이러한 간섭신호 및 채널 특성에 의한 성능 열화 현상에 대한 해결책으로 상용화 개발가치가 가장 높은 유망 핵심기술로 평가되어지고 있는 것이 스마트 안테나 기술이다. 기존의 두 개 디버시티 안테나를 사용하여 다중경로 신호를 결합하는 경우와는 달리 스마트 안테나 기술은 배열 안테나와 첨단 고성능 디지털 신호처리 기술을 이용하여 RF 신호환경의 변화에 따른 적응적 안테나 빔 패턴 제어에 의해 송ㆍ수신 성능 및 용량의 극대화를 가능케 하는 첨단 신호처리 및 안테나 기술이다. 즉, 전 방향으로 방사 빔을 형성하는 대신 해당 가입자에게만 지향성의 빔을 방사함으로써 섹터에서 활동하고 있는 전 가입자에게 신호간섭 효과를 최소화함으로써 통신품질과 시스템 채널용량을 그 만큼 높일 수 있는 기술이다. [5-12]
II. 구성과 기능
스마트 안테나는 안테나 배열 크기에 따라 기지국 그리고(또는) 단말기에 위치할 수 있다. 스마트 안테나가 기지국에 위치할 경우, 상향 링크에서 적응적으로 원하는 방향으로부터 수신하고 하향 링크에서는 적응적으로 원하는 방향으로 송신하도록 하여 원하는 사용자에게 안테나 이득과 다양성 이득을 증가시키는 동시에 상향 링크에서 다른 방향으로부터 수신되는 간섭 신호나 하향 링크에서 다른 방향으로 송신되는 간섭 신호를 줄일 수 있다. 이렇게 스마트 안테나를 사용하면, 더 많은 사용자를 수용할 수 있으며 그에 따라 시스템 용량을 늘릴 수 있다. 스마트 안테나의 구성과 기능은 다음과 같다. [5-7, 12]
○ Antenna Array: 다수의 안테나로 구성되어 원하는 안테나 빔 패턴을 생성하는데, 안테나 수가 증가할수록 빔 패턴이 좁아져서 성능이 증가하지만 시스템의 복잡도를 고려하여 보통 4~12개가 사용된다. 안테나 형태로는 Uniform Linear Array, Uniform Circular Array 등이 있다.
○ RF Transceiver: 배열 안테나 수와 동일하게 사용되며, 각 배열 안테나로부터 입력된 RF 입출력 신호에 대한 Up/Down converter RF/IF 모듈로 구성되어 진다.
○ 빔형성기: 원하는 사용자 방향으로의 빔형성을 위한 방법으로 스위칭형 빔형성(Switched Beamforming) 방식과 적응형 빔형성(Adaptive Beamforming) 방식이 있다. 스위칭형 빔형성 방식은 미리 몇 개의 방향에 대한 가중치 벡터를 설정하여 빔형성을 하는 방법이고, 적응형 빔형성 방식은 원하는 사용자 신호 대 간섭 신호의 비를 최대화하도록 원하는 사용자의 위치에 따라서 가중치 벡터를 계속 갱신하는 방법이다. 빔 형성을 위해 Weight 벡터를 계산하기 위해 다양한 적응형 알고리듬이 사용된다. 일반적으로 DOA(Direction of Arrival)에 의하여 Weight 벡터를 구하는 방법과 Time Reference에 의하여 Weight 벡터를 구하는 방법이 있으며, 빔형성을 위한 가중치 벡터의 실시간 계산을 위하여 고도의 DSP 처리기술이 필요하다.
○ RF Calibration: Multi-channel 수신기의 각 배열 안테나 소자 특성의 미세한 차이에도 불구하고 고주파 캐리어의 진폭과 위상에는 큰 변화를 주어 근본적으로 빔 형성기의 성능을 저하시키는 원인이 된다. 따라서 각 안테나 소자의 특성 차이를 보상하고, 배열 안테나간 RF 채널 송수신기의 진폭과 위상의 차이를 보정하는 것이 필요하다. 안테나 오차 보정은 Off-line Calibration 방법을 사용하고, RF 채널 오차 보정은 On-line Calibration이 일반적으로 사용된다. 실제 시스템에서는 실시간 제어에 의해 이를 보상할 수 있는 On-line Calibration이 요구된다.
III. 방식별 특성
스마트 안테나는 빔 형성 방식에 따라 여러 가지 방식으로 분류된다. 빔은 여러 안테나 별 가중치에 따라 모양이 결정되며, 이 가중치는 기지국과 단말기간의 채널을 추정하여 구한다. 채널을 추정하는 방법은 크게 세 가지로 나눌 수 있으며, 첫번째는 SMI(Sample Matrix Inversion) 방식으로 입력 신호벡터의 Covariance Matrix를 이용하여 가중치를 계산한다. 두번째는 RLS(Recursive Least Square) 방식으로 SNR(Signal to Noise Ratio)가 높을 때 사용하는 방식으로 다음의 LMS(Least Mean Square) 방식에 비해 수렴 속도가 빠른 장점이 있다. 세번째 N(normalized)-LMS 방식으로 3개 방식 중에 제일 복잡도가 낮으나, 성능이 적응 상수에 따라 많은 영향을 받는 단점이 있다. 한편, CDMA시스템에서는 안테나 별 가중치를 칩별 또는 심볼 별로 곱해줄 수도 있으며, 칩 별로 가중치를 곱하는 방식(Chip Level Beamforming: CLB)에서는 신호를 역확산(Despreading)하기 전에 빔을 형성하며, 심볼 별로 가중치를 곱하는 방식(Symbol Level Beamforming: SLB)에서는 신호를 역확산한 후에 빔을 형성한다. 성능은 CLB가 SLB에 비하여 우수하나, 구형이 복잡한 단점이 있다.
<표 1>은 채널 추정법에 따라 기지국에서 단말기까지 순방향 링크의 빔형성 방식을 분류한 것으로, 순방향 채널을 추정하는 방법에 따라 크게 세 가지로 분류된다. 첫번째는 ‘Blind’ 방식으로 역방향 수신 데이터를 이용하여 순방향 채널을 추정하는 방법이다. 일반적으로 채널 벡터는 신호 방향과 관계되는 배열 응답 벡터와 기지국과 단말기 사이의 산란체에 의한 페이딩 계수 성분으로 나눌 수 있는데, 이중 배열 응답 벡터는 역방향과 순방향이 동일하므로 역방향 데이터로 추정할 수 있다. 역방향으로부터 방향을 구하는 방식에는 크게 subspace 방식과 방위각 전력 분포(Azimuth Power Spectrum: APS)를 이용한 방식이 있다. Subspace 방식은 역방향 수신 데이터를 각 안테나별로 역확산하여 구한 공간 상관 행렬의 가장 큰 고유치에 해당하는 고유 벡터를 이용하여 배열 응답 벡터를 추정하는 방법으로 채널 코히런스 시간보다 충분히 긴 시간동안 평균하여 구한 역방향 공간 상관 행렬과 순방향 공간 상관 행렬은 서로 동일하다는 것을 전제로 한다. 방위각 전력 분포를 이용한 방식은 각도별로 수신되는 전력을 계산하고 임계치와 비교하여 신호의 도래각을 추정하는 방식이다. 이러한 blind방식은 역방향 데이터만으로 순방향 채널 특성을 추정할 수 있다는 장점이 있으나, 순방향 채널 추정 정확도를 높이기 위해서 코히런스 시간보다 훨씬 더 긴 시간 동안 평균을 해야 하므로 시간 지연이 상대적으로 크다는 것과 단말기의 이동이 없는 경우에는 직접 적용하기가 어렵다. 또한, 시간에 따른 채널의 평균 특성을 이용하므로 시간에 따라 특성이 변하는 순방향 채널환경에 적응적으로 빔형성을 수행할 수 없으므로 순방향 링크에서 페이딩 감소 효과를 얻을 수 없다.
두번째는 ‘Semi-blind’ 방식이다. Semi-blind 방식은 다시 단말기가 추정한 순방향 subspace를 피드백받는 방식과 순방향 페이딩 계수만 단말기로부터 피드백받는 방식이 있다. Subspace 피드백 방식은 Full feedback 방식의 단점을 보완한 것으로 기지국은 여러 개의 프로브(probe) 신호를 송신하고 단말기는 상관 행렬을 구하여 기지국에 피드백한다. 이는 시간에 따라 변하는 순방향 채널의 페이딩 특성 대신 일정 시간 동안 평균하여 얻은 상관 행렬을 기지국으로 피드백하므로 피드백 데이터 양을 줄이면서 기지국이 방향과 관련된 정보를 얻을 수 있으나, 피드백 데이터 양이 여전히 많고 빠른 페이딩(fast fading)으로 시간에 따라 변하는 페이딩 계수를 추정할 수 없다. 페이딩 계수 피드백 방식은 신호 방향은 캐리어 주파수와 관계없다는 채널대칭성(channel reciprocity)을 이용하는 것으로 역방향 데이터를 이용하여 신호 방향을 추정하고 페이딩 성분만 단말기로부터 피드백 받아 순방향 채널을 추정한다. 그러나 이 방식은 채널 전파특성에 각도 확산이 없다는 것을 전제로 하고 있어, 각도 확산이 존재하는 실제 이동통신 채널 환경에서는 직접 적용할 수 없다.
세번째는 ‘Full Feedback’ 방식으로 기지국이 일정한 시간 간격으로 배열 안테나를 구성하는 방사 소자 개수 이상의 프로브 신호(probe sequence)들을 송신하고 단말기가 각 프로브 신호를 분석하여 얻은 채널의 시간에 따른 변화 특성을 기지국에게 피드백 해주는 방식이다. 이 방법은 방향과 순방향 채널 페이딩 계수를 정확히 추정할 수 있다는 장점이 있으나, 빠르게 이동하는 사용자에 대한 채널 벡터를 추적하기 위해서는 단말기 피드백 양이 증가하여 실제로 구현하기는 거의 불가능하다.
IV. 기술개발 동향
스마트 안테나 기술은 기관별로 혹은 공동기술연구 협의체 구성을 통하여 유럽, 미국 등 선진국을 중심으로 많은 연구가 진행되고 있으며, 국내에서는 한국전자통신연구원에서 스마트 안테나 원천기술과 시스템 설계 및 개발에 관한 연구가 진행되고 있고 일부 학교에서 알고리듬 연구가 진행되고 있다. 국외에서는 현재 FDMA 및 TDMA 방식의 이동시스템을 위한 스마트 안테나 시스템 연구개발은 상용화 수준까지 상당히 진척된 것으로 보이나, CDMA 방식에 기초한 본격적인 스마트 안테나 시스템 연구개발 및 구현은 아직 미진한 상태이다. [11]
미국의 퀄컴사도 스탠포드 대학과 공동연구를 수행한 바 있으며, Virginia Polytechnic의 MPRG, AT&T, Lucent Technlogy, Celwave, Hazeltine Corp., Metawave Communications Corp., ArrayComm, Inc. 등과 같은 회사들이 이미 이 분야의 연구개발에 적극적으로 참여해 오고 있다. 대부분 switched-beam 방식의 안테나 시스템을 실험 운용하거나 상용화하는 연구개발 노력을 기울이고 있으며, 최근에는 Lucent Technology가 동기식 cdma2000 시스템에 Full adaptive 스마트 안테나 기술을 적용한 RTT를 ITU-R에 제안한 이후 IMT-2000 CSAS 시스템 개발에 적극적인 노력을 기울여 온 것으로 파악된다. 유럽은 RACE II(1992~1994)의 TSUNAMI I R2108 연구 프로젝트와 ACTS(1995~1997)의 TSUNAMI II AC020 연구 프로젝트를 통해 각각 DECT/TDMA/SDMA 및 DCS1800/TDMA/SDMA 축소모형 하부구조에 적용한 스마트 안테나 시스템의 적용가능성 및 경제성을 시연했다. 가장 최근에 유럽은 SUNBEAM 프로젝트를 통해 비동기식 WCDMA 스마트 안테나 시스템을 연구 개발하였다. 일본 NTT DoCoMo도 자신들의 비동기식 IMT-2000 표준 RTT에 기반을 둔 스마트 안테나 시스템 개발에 노력을 기울이고 있다.
스마트 안테나 시스템의 상용시험 또는 설치 예로는 Ericsson이 독일의 이동사업자인 Mannesmann Mobilfunk GmbH와 공동연구 끝에 상용 GSM 망에서 실제 운영시험을 한 바 있고(1998년 8월), AT&T는 IS-136 시스템 망을 브라질에 설치할 때 4-element 스마트 안테나 기지국 시스템을 설치할 수 있도록 설계하여 선택사항으로 설치 운용토록 하였다. 한편, 스마트 안테나 시스템의 상용제품 개발 사례는 미국의 Metawave사와 ArrayComm사에 의한 시스템 제작판매가 대표적인 경우이다. Metawave 시스템(상품명: SpotLight-2000)의 지능성은 12개의 배열 안테나 시스템으로 약 40% 정도 수준의 용량증대를 보장하는 빔 스위칭에 의한 고정 빔형성 방식의 수준을 벗어나지 못하고 있으나, ArrayComm의 시스템(상품명: IntelliWave WLL)은 특수한 identification 알고리듬에 기초한 일종의 Full adaptive 빔형성 방식으로 보다 나은 성능(고성능의 음질 보장) 및 용량 개선을 제품에서 선보이고 있다. ArrayComm의 시스템은 모두 WLL 응용 위주의 시스템으로서 일본의 PHS 무선접속 인프라에 IntelliWave WLL을 접목하여 개발된 시스템을 상당수 실전 배치하였으며, 음질과 잦은 통화불통의 문제를 상당히 해결한 것으로 알려지고 있다.
한국전자통신연구원에서는 1997년도부터 스마트 안테나기술을 연구개발해 왔다. 1997년에는 빔형성 알고리듬, S-T 배열 송ㆍ수신기 및 S-T 송ㆍ수신기 구조 연구에 기초한 CA3TS (CDMA Adaptive Antenna Array Testbed System) 개발, CA3TS 의 현장시험을 통한 IMT-2000 스마트 안테나 시스템의 Extrapolated field 성능분석을, 1998년에는 빔형성 알고리듬, 성능분석 시뮬레이션 프로그래밍 및 Searcher 빔형성 방식의 복조기 구조에 관한 기초연구를, 1999년에는 타깃 빔형성 알고리듬 비교선정 및 설계, 스마트 안테나 시스템 설계 및 성능분석, S-T 배열 송ㆍ수신기 설계, 오차보정(Calibration) 기술연구를, 2000년에는 3G IMT-2000/cdma2000/FDD용 동기식 CSAS(CDMA Smart Antenna System) 개발을 위한 서브시스템 설계 및 실시간 처리 기술 연구수행을, 2001년에는 3G IMT-2000/WCDMA/FDD용 비동기식 CSAS 및 3G IMT-2000/WCDMA/TDD용 동기식 CSAS에 대한 연구를 수행하여 왔다. 2002년부터는 그동안 축적된 기술을 이용하여 비동기식 IMT-2000에 적용되는 WCDMA 스마트안테나 기지국 테스트베드를 개발하고 있으며, 앞으로는 지금까지의 기술을 바탕으로 4세대 초고속 이동통신시스템에 사용될 수 있는 스마트안테나 기술을 개발할 계획이다.
V. 맺는 말
스마트 안테나 시스템의 설계개발 목표는 다중경로 간섭신호 제거 능력의 극대화를 통한 C3Q(Capacity, Coverage, Cost and Quality) 개선에 있다. 현재, 기술적인 관점에서 기지국에서 이동 가입자 혹은 단말기로 향해 지향성 빔형성을 하기 위한 고성능 알고리듬 개발이 중요한 이슈가 되고 있으며, 저렴한 가격의 고성능 RF부의 대량생산을 위한 오차 보정 기술 및 특수 서비스 목적의 가입자 위치확인기술도 중요한 핵심기술로 되어 있다. 최근에는 무선 멀티미디어의 서비스 확장으로 인하여 순방향 링크에서의 고속 데이터 전송 및 용량 증대를 위해 순방향 빔 형성 기술과 TX 디버시티, Space-Time Coding 등의 접목을 통한 다양한 연구개발 시도가 요구되고 있다. 또한 스마트 안테나를 사용하여 차세대 무선전송규격을 만들려면 스마트 안테나 방식에 최적화하는 방식으로 듀플렉스 방식, 반송파 대역, 변조 방식, 제어 채널 및 방송 채널 구조 및 전송 방식, 프레임 구조, MAC 구조 선택 등의 연구가 필요하다.
<참고 문헌>
[1] M. Tangemann, C. Hook, and R. Rheinschmitt, “Introducing adaptive array antenna concepts in mobile communication system,” Proc. RACE Mobile Telecommnunication Workshop, Vol.2, Amsterdam, The Netherlands, May 1994, pp.714-724.
[2] P.W. Baier, A. Papathanassiou, and M. Weckerle, “Recent results on the benefits of adaptive antennas in TD-CDMA mobile radio systems,” Proc. IEEE/IEE Int. Conf. Telecommunications, Vol.1, Cheju, South Korea, June 1999, pp.399-404.
[3] C. Brunner, M. Haardt, and J.A. Nossek, “On space-time rake receiver structures for WCDMA,” Proc. 33rd Asilomar Conf. Signals, Systems, Computers, Pacific Grove, CA, Oct. 1999.
[4] R. Becher, M. Dillinger, M. Haardt, and W. Mohr, “Broad-band wireless access and future communication networks,” Proc. of the IEEE, Vol.89, Jan. 2001, pp.58-75.
[5] K. Sheikh, D. Gesbert, D. Gore, and A. Paulraj, “Smart antennas for broadband wireless access networks,” IEEE Comm. Mag., Nov. 1999, pp.100-151.
[6] G.G. Raleigh and J.M. Cioffi, “Spatio-temporal coding for wireless communications,” IEEE Trans. on Comm., Vol.46, Mar. 1998, pp.357-366.
[7] V. Tarokh, A. Naguib, N. Seshadri, and A.R. Calderbank, “Comined array processing and space-time coding,” IEEE Trans. Inf. Theory, Vol.45, May 1999, pp.1121-1128.
[8] G.J. Foschini, “Layered space-time architecture for wireless communication in a fading environment when using multiple antennas,” Bell Labs Technical Journal, Vol.1, Autumn 1996, pp.41-59.
[9] J. Bach Anderson, “Array gain and capacity for known random channels with multiple element arrays at both ends,” IEEE J. on Sel. Areas in Comm., Vol.18, Nov. 2000, pp.2172-2178.
[10] F.R. Farrokhi, G.J. Foschini, A. Lozano, and R.A. Valenzuela, “Link-optimal space-time processing with multiple transmit and receive antennas,” IEEE Comm. Lett., Vol.5, Mar. 2001, pp.85-87.
[11] Working Party 8F, ITU, “Working document towards preliminary draft new report: technology trends,” 6th Meeting of Working Party 8F, Tokyo, Oct. 2001.
[12] C.B. Dietrich, Jr., W.L. Stutzman, B.G. Lee, and K. Dietze, “Smart antennas in wireless communications: base-station diversity and handset beamforming,” IEEE Ant. and Prop. Mag., Vol.42, Oct. 2000, pp.142-150.
※ 출처 - http://crmo.mic.go.kr/
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