[아테로스_기고] MIMO의 효율성 극대화

2006년 02월 23일

놀랍게도, MIMO가 전통적인 2x2(두 개의 송수신) MIMO 아키텍처를 즉시 넘어서리라고 예상한 사람들은 거의 없었다. 하지만 실제로, 단일 칩 통합으로 송수신 구조를 3x3으로 확장한 것은 성능의 비약적인 향상을 이루고, 안테나의 수를 단순히 늘려 수신률을 높이려는 전통적인 방법을 넘어서서, 비용 절감 효과를 가져왔다.
11n 초안 스펙은 고정된 수신 측에서 최대비율조합(MRC)에 대한 선택 규정뿐만 아니라, 지능적인 안테나 선택을 위한 옵션 매커니즘도 명시하고 있다. 비록 안테나 선택이 성능을 향상시킬 수 있을지라도, 동일한 안테나 구성으로 MRC 알고리즘을 사용할 경우는 더욱 단순하게 스위치된 안테나 구조보다 성능이 월등하다. 안테나가 4~6cm 떨어진 곳에 설치될 수 있는 전형적인 액세스 포인트(AP)에서는 안테나를 선택함으로써 2~3dB의 향상을 기대할 수 있다. 하지만 최대비율조합(MRC)으로 고정된 안테나를 사용할 경우, 안테나의 스위칭 작업 없이도 동일한 기능 향상을 보장할 수 있다. 더욱이, MRC와 함께 세 번째 안테나를 사용할 경우 1.7dB의 추가적인 향상도 가능하다.
따라서, 많은 안테나가 있을수록 좋지만 802.11n으로 가능한 최대 이득은 전파 수치를 늘리고 MRC를 사용하는 데에서 비롯된다. 여기에서 언급한 테스트에서 보여주듯이, 3x3 MIMO 아키텍처를 이용하는 무선랜 사용자들은 기존의 2x2 MIMO에 비해 액세스 포인트에서 평균 50% 향상된 쓰루풋을 경험할 수 있다.
여기에서의 비교 대상은 2x2와 3x3 시스템으로, 특정한 공간에서 다중화된 데이터 스트림을 동일하게 사용할 경우를 적용했다(공간적 다중화에 관해서는 추후 상술하겠다). 3x3 아키텍쳐에서 추가적인 비율들은 더 독특한 스트림을 전달하지 않는다. 그러나 전파는 무선랜 쓰루풋, 범위, 그리고 견고성을 향상시킨다. 여기에서 주요 목표는 어떠한 환경에서든 가정 사용자들에게 아무런 문제 없이 높은 쓰루풋 서비스를 제공하는 것이다. 이러한 기능을 통해, 특히 애플리케이션과 미디어 컨텐츠가 더욱 큰 대역폭을 요구하게 됨에 무선랜 제품들은 소비자 시장에서 큰 반향을 일으킬 것으로 예상된다,
이론적으로, MIMO 시스템이 사용할 수 있는 전파의 수에는 제한이 없다. 하지만 문제는 실리콘 가격과 전력 소비 측면에서 얼마나 많은 전파가 비용 대비 효율적인가 하는 것이다. 여기에서는 다양한 MIMO 아키텍처와 그 상충 관계에 대한 분석 에 대한 시험 자료를 통해 그 해답을 제시하고자 한다.

MIMO, 이용 가능한 공간 활용

802.11n 표준 초안은 성능 향상을 위해 수많은 기술을 선택할 수 있다고 명시해놓았지만 주요 MIMO 기술은 공간적 다중화, 즉, 서로 다른 공간의 채널을 통해 여러 데이터 스트림을 전송하는 기술이다. MIMO에 대한 이론적인 작업은 1984년부터 시작되었으며, 공간적 다중화는 최초의 MIMO 개념 중의 하나라 할 수 있다. 당시, 다중 송수신기 가격이 비교적 높은 편이었으며, MIMO 기술은 광범위하게 적용되지는 않고 있었다. 현재, 고도로 통합된 ROC(radios-on-a-chip)이 대중화되어 있기 때문에 MIMO의 실용성이 본격화되고 있으며, 세 개의 완전한 전파도 하나의 칩으로 통합이 가능하게 되었다.
공간 다중화의 기본은 각각 독립적인 공간에 위치해서 공간적으로 동일하게 떨어져 있는 두 개의 수신기로 전송하는 두 개의 송신기를 살펴보면 이해가 쉽다. 수신기와 송신기를 충분한 공간에 배치한 다음, 지향성 안테나를 사용할 경우, 두 쌍의 송/수신기는 서로 간섭하지 않기 때문에, 동일한 주파수에서 특정한 데이터 스트림을 보낼 수 있다. 두 개의 데이터 스트림은 이용 가능한 공간을 따라 다중화된다. 각각의 수신기는 특정한 물리적인 경로를 통해 이동하는 특정 데이터 스트림을 탐지하기 때문에 쓰루풋이 2배로 증가하게 된다.
실제 실내 환경에서, 무선 신호는 물체에 반사되기 때문에 여러 경로를 통해 신호가 이동하게 된다. 이 경우 고도의 지향성 안테나를 사용하더라도 여러 수신기로 데이터 스트림이 곧바로 전송된다고 기대할 수 없게 된다. 신호 처리 기술은 여러 데이터 스트림을 탐지하고 차별화할 수 있지만 이 경우에도 스트림이 특정 경로를 따라 이동하는 경우로 국한된다.
사무실이나 가정 환경에서는 다중 데이터 스트림이 여러 수신기에 일직선으로 이동하지 않고 특정 다중 경로를 통해 신호 처리 방식으로 데이터를 식별해서 수신기로 전송된다. 이러한 기능은 다중 경로 효과를 방해 요소가 아닌 무선랜이 고성능 작업을 수행할 수 있는, 유용한 환경으로 전환시킨다. 특정한 경로가 많아질수록 쓰루풋 향상 가능성이 증가하게 된다.
여러 무선 신호를 하나의 칩으로 통합함으로써, 무선랜 장치는 비용 효율적으로 여러 공간 채널을 사용할 수 있게 해준다. 가정 및 사무실 환경은 두 개의 특정한 공간 다중 스트림을 손쉽게 지원할 수 있다. 그렇다면 얼마나 많은 전파라야 두 개의 스트림에 최적의 성능을 제공할 수 있을까? 시스템은 송신기와 수신기, 데이터 스트림 사이에 일대일 대응 형태를 취할 필요가 없다. 아래에 기술한 테스트에서 알 수 있듯이, 송신기와 수신기의 수를 늘리는 것이 성능에 중요한 영향을 미친다.

MIMOx3

무선랜에서 고려해야 할 첫번째 특성은 액세스 포인트(AP)에서 클라이언트로의 다운링크였다. 아래의 분석 결과는 2x2와 3x3 액세스 포인트의 성능을 비교한 것이다. 두 방법 모두 두 개의 특정 데이터 스트림을 사용했다. 3x3 디바이스가 현재 이용할 수 있는 유일한 방안이기 때문에 이 분석은 비교를 위해 시뮬레이션을 적용했다. 이러한 시뮬레이션은 직교 방향의 무선 모델을 토대로 하고 있으며, 일반적으로 가정에서 운영되는 환경인 11g 대역(2.4GHz), 20MHz 모드, 50ns rms 지연, 3.1dB 경로 손실, 15dBm 송신 전력, 3dB 안테나 이득, 5dB 시스템 수신기 노이즈, 다중 경로로부터의 12dB 섀도잉 마진(shadowing margin), 4dB 신호 감쇄 등 ITU의 통계적인 상황(ITU1238 모델)을 토대로 한 실제 운영 환경을 포함하고 있다.
시뮬레이션 결과, 3x3 구성이 2x2 구성보다 20-100 ft 범위(그림 1)에서 40% 이상 향상되어, 다운링크 방향(AP에서 클라이언트로의) 측면에서 훨씬 높은 성능을 제공하는 것으로 나타났다. 이 결과는 최근에 발표한 바 있는, SST(Signal-Sustain Technology™)을 특징으로 한Atheros XSPAN™ 3x3 디바이스의 실제 환경 테스트에서 입증되었다. 초기 실리콘으로 진행된 이번 테스트에서는 50피트에서는 2x2 구성보다 평균 44% 높은 성능을 보여주었으며, 100피트에서는 51%, 150피트에서는 62%의 성능 향상이 확인되었다. 평균적으로, 3x3 시스템은 약 50% 정도 성능이 향상된 것으로 나타났다.
물론, 이러한 성능 향상은 클라이언트 디바이스가 3x3 구성 형태를 취할 경우 업링크 방향(클라이언트에서 AP)에서도 가능하다. 하지만 일반적으로 클라이언트는 주로 배터리를 통해 전원을 공급받기 때문에 AP가 클라이언트 디바이스보다 높은 파워에서 전송된다. 또한 AP는 여러 개의 안테나를 수용하는데 있어 훨씬 유연하다. 따라서 완벽한 3x3 구성은 클라이언트에 적합하지 않다고 볼 수 있다.
그렇다면 클라이언트를 2x3 시스템(송신기x 수신기) 형태로 구성하면 어떨까? 그 결과를 알기 위해서는 2x3 시스템과 2x2 형태을 비교하기 위해 시뮬레이션을 동일한 ITU1238 모델을 사용해 바꾸어야 한다. 또한 두 시스템 모두 두 개의 공간 다중 스트림을 사용하게 된다. 그림 2는 그 시뮬레이션 결과를 보여준다. 2x3 시스템은 2x2 시스템에 비교해 평균 약 20% 정도로 업링크 성능이 향상되기 때문에, 추가적인 다운링크 송신기는 성능 커버리지를 크게 향상시킬 수 있다.
2x3 형태의 구성을 테스트하기 위한 하드웨어를 구하는 것이 훨씬 쉽기 때문에 실내 테스트를 통해 2x3, 2스트림 시스템 및 2x2, 2스트림 시스템 비교 결과는 확실히 검증이 가능하다. 그림 3에서 보여주듯이, 실내 테스트 결과 시뮬레이션에서 2x3 시스템의 성능 향상이 동일하게 나타났다. 실제 환경에서의 테스트는 2x3 시스템의 성능 향상을 확실하게 보여준다(그림 4).

실제 데이터 전송률

전통적인 20MHz 채널을 사용하는 단일 대역의 3x3 디바이스는 65Mbps 이하의 실제 사용자 쓰루풋을 위한 130Mbps의 자료 전송률를 제공할 수 있다. 이러한 성능은 어떠한 기존 표준이나 무선랜 솔루션보다 월등히 뛰어나다. 한편, 802.11n 표준 초안은 40MHz 채널 모드를 옵션으로 포함하고 있는데, 이 모드를 통해 무선랜 시스템은 150Mbps 이하의 TCP/IP 쓰루풋을 위한 300Mbps 의 자료 전송률을 제공한다. (그림 5).
또한, 3x3 방식은 공간 다중화에 이상적이지 않은 환경에 많은 이점을 제공한다. (역설적이게도, 이러한 환경은 특정한 신호 경로에 필요한 만큼 충분한 다중 경로를 제공하지 못한다). 그러한 환경에서 2개의 수신 구조를 가진 시스템은 상관성이 없는 두 개의 신호를 얻을 수 없다. 이 경우, 2x2, 2스트림 시스템은 1개의 스트림 시스템으로 줄어든다. 이와 반대로, 3개의 수신 구조를 가진 시스템에서의 3번째 수신기는 동일한 환경에서 2개의 비상관 신호를 얻을 가능성이 훨씬 높아지기 때문에 두개의 스트림 모드를 사용할 수 있게 된다. 1과 2스트림 성능의 차이는 매우 크다. 3x3 MIMO는 많은 이유로 인해 가장 지속적이며 높은 쓰루풋 접속을 제공하며, 가정은 물론 가정 시장 이상에서도 사용이 가능하다.

최고의 상충관계(tradeoff)

과연 부가적인 MIMO 송수신기가 비용 효율적일까? 비용 대비 이점을 비교한 결과, 2-스트림 MIMO 시스템의 성능과 비용은 3x3 구성으로 가면서 연속적으로 증가했다. 하지만 3x3 구성을 지나면서 비용은 급속히 증가하는데 비해, 성능 향상은 그다지 크지 않은 것으로 나타났다.
송신기나 수신기를 추가함으로써 향상된 성능은 특정한 수치를 넘어서면 감소하는 경향이 있기 때문에 성능은 연속적으로 향상되지 않는다. 이는 공간 다중화가 신호 스트림이 통계적으로 상관 관계가 없을 때에만 작용하고 또한. 이러한 많은 비상관 신호 경로들이 실제 기기들에 서 나타나기 때문이다. 안테나 사이의 공간을 가깝게 할수록 상관되는 신호도 많아지게 된다. 예를 들어, 2.4GHz 주파수에서, 무선 신호의 파장은 12cm이하이다. 일반적으로 AP들은 폭이 16~20cm 정도이다. 각 수신 안테나 사이의 공간이 6cm이하(폭의 절반)가 되면, 해당 안테나의 신호는 서로 간섭할 가능성이 높아지게 되며, 이는 공간 다중화의 이점을 제한하게 된다.
비용 측면을 볼 경우, 송신기나 수신기를 추가할 경우 구입 비용과 전력 소비가 늘어나게 된다. 공간적으로 다중화된 신호를 처리하기 위해서는 각 송신 기기가 안테나나 전력 증폭기(PA), RF 믹서, RF 필터, IF 믹서, IF 필터, 기저대역 필터, DAC 그리고 점진적인 디지털 회로를 필요로 한다. 각 수신 구조는 안테나, 저소음 확장기(LNA), RF 필터, IF 필터, IF 믹서, 기저대역 필터, ADC 그리고 공간적 다중화 신호를 처리하기 위한 디지털 회로를 필요로 한다.
관련된 온 칩 회로 증가에 따른 비용 상승으로 인해, 구입 가격과 전력 소비량 등 총 비용은 대략적으로 볼 때 송신 구조와 수신 구조, 데이터 스트림의 수에 대한 일차함수라고 할 수 있다. 데이터 스트림 추출의 계산의 복잡성은 스트림 수의 제곱에 따라 증가한다. 이러한 요인 역시 비용에 영향을 끼친다. 계산 공식을 따르면, 비용은 fc(N, M, S, S2)에 비례하며, fc 는 일차조합(linear combination) 함수이다.
여기에서 살펴본 상충관계는 단순히 안테나와 수신기를 추가한다고 해서 성능 향상이 일차함수적으로 향상되는 것이 아니라, 최대 수집된 비상관 신호의 수에 이를 때까지 포화된다는 것을 보여준다. 따라서, 성능은 fp(S, I x [1-e-(N+M)])에 비례하며, 여기에서 S는 스트림의 수를, I는 수신 측에 의해 측정된 비상관 신호의 수를, N은 Tx 체인의 수를 뜻하며, M은 Rx 체인의 수를 의미한다.
그림 6에서 알 수 있듯이, 3x3, 2스트림 시스템은 전형적인 무선랜에 이상적인 구성 방법을 보여주고 있다. 추가적인 송수신 체인을 하나의 칩으로 통합할 경우 증가 비용을 낮추는 동시에 성능을 꽤 많이 높일 수 있다. 실제로, 비용 분석 모델을 통해 볼 경우, 3x3 AP 가격은 무선랜 칩의 통합 수준과 여러 요인으로 인해 전통적인 2x2 디바이스와 거의 동일하다.
2스트림 공간 다중화 MIMO 시스템의 경우, 2x3 및 3x3 아키텍처는 추가 비용을 거의 들이지 않고도 전통적인 2x2 구성 형태보다 월등한 성능의 이점을 제공한다. 따라서, 클라이언트 솔루션은 2x3 구성 형태 에서 최고의 성능을 발휘하는 반면, 대용량 전력 예산이 있는 액세스 포인트(AP)라면, 3x3이 최적의 구성 형태이다.

그림 설명
그림 1— 두 개의 데이터 스트림을 사용하는 2x2와 3x3 무선랜 시스템의 다운링크(AP에서 클라이언트) 쓰루풋 비교 (시뮬레이션 결과)

그림 2— 두 개의 데이터 스트림을 사용하는 2x3와 2x2 무선랜 시스템의 업링크(클라이언트에서 AP) 쓰루풋 비교 (시뮬레이션 결과

그림 3— 그림 2의 시뮬레이션 결과를 확인하기 위한 실내(chamber) 측정

그림 4— 그림 2의 결과를 확인하기 위한 실제 환경 측정

그림 5— 40MHz 채널을 사용한 시스템의 데이터 속도 (시뮬레이션 결과)

그림 6— MIMO 시스템의 비용과 성능의 상관 관계

* 그림과 자세한 내용은 첨부 파일 참조.