7. 다중화 및 다중 접속방식 - 공간 다중화 및 공간 다중접속 방식 (MIMO, 빔포밍 등)

[그륵]

공간다중화 (spatial multiplexing)와 공간 다중 접속 (SDMA, Spartial Division mulitplex access)은 무선통신의 패러다임을 바꾼 혁신적인 기술

지존의 주파수나 시간, 코드를 쪼개 쓰던 방식에서 벗어나, "동일한 시간 동일한 주파수"안에서 안테나의 배치와 신호의 방향성을 이용해 공간(space)을 나누어 쓰는 방식.

이 공간 분할의 핵심은 담당하는 두 축이 바로 MIMO(다중 입출력)과 빔포밍(beamforming).

현대 4G LTE, 5G 그리고 차세대 6G통신의 전송속도와 용량을 극대화.

1. MIMO (multi-input, multi-output, 다중 입출력)

"안테나를 여러개 겹쳐 가상의 데이터 고속도로를 여러개 만드는 기술"

과거에슨 송신기와 수신기에 안테나가 각각1개씩만 있음. 이 구조에서는 전자가 빌딩이나 벽에 부딪혀 반사되면 (다중경로 페이딩), 신호가 찌그러져 잡음이 됨.

MIMO는 이 약점을 강점으로 뒤집었습니다. 송수신측 모두에 여러개 안테나를 달고, 반사되어 들어오는 수많은 전파경로를 역으로 활용해 동시에 서로 다른 데이터를 보냄.

• 공간 다중화(Spatial mulitiplexing)으로서 MIMO : 안테나가 송신 4개, 수신 4개 (4x4 MIMO)라면, 이론적으로 동일한 주파수 대역에서 데이터를 4배 더 많이 더빠르게 보낼 수 있음. 하나의 주파수 차선에 4층짜리 고가도로를 올려 전송용량을 늘린 것과 같음
• Massive MIMO (대용량 MIMO) : 5G와 6G에서는 안테나를 수십 ~ 수백개 수준으로 대폭 늘려 수용량과 속도를 기하급수적으로 끌어 올림

2. 빔포밍(beamforming)

"사방으로 퍼지는 전파를 레이저 불빛처럼 한 사람에게만 집중시켜 쏘는 기술"

기존의 안테나는 전파를 전등갓이 없는 전구처럼 사방으로 넓고 평평하게 뿌렸습니다 (무지향성). 이 방식은 멀리 가기 어렵고, 전파가 도달하지 않는 곳은 낭비가 심함

빔포밍은 여러 안테나에서 나오는 전파의 타이밍(위상과 진폭)을 수학적으로 미세하게 조절. 전파들이 서로 뭉쳐지거나 상쇄되면서, 특정 방향으로만 돋보기로 빛을 모으듯 강력한 전파 빔(beam)을 만들어 사용

• 공간다중접속(SDMA)으로서 빔포밍: 기지국이 동쪽에 있는 철수에게는 동쪽으로만 전파 빔을 쏘고, 서쪽에 있는 영희에게는 서쪽으로만 전파 빔을 쏨. 두 사람은 같은 시간, 같은 주파수를 쓰면서도 서로의 전파간섭 없이 완전한 독립된 통신공간을 누리게 됨. 이를 통해 기지국 하나가 동시에 수용할 수 있는 사용자 수가 엄청나게 늘어남

MIMO와 빔포밍의 시너지 효과

현대이동통신 (5G/6G)에서는 이 두 기술이 따로 놀지 않고 하나로 합쳐져 작동. 이를 보통 "대용량 MIMO기반 빔포밍"이라고 함

1. 기지국에 수많은 안테나 배렬(Massive MIMO)을 장착

2. 이 안테나들이 움직이는 스마트폰 사용자의 위치를 실시간으로 추적

3. 사용자 한명 한명에게 맞춤형 전파 레이저(빔포밍)을 쏴서 초고속 데이터를 독립적으로 전달

이 기술 덕분에 5G환경에서 수만명이 모인 야구장이나 콘서트장에서 데이터 끊김없이 유튜브 스트리밍가능