브리스톨과 룬드 대학, NI와의 제휴로 Massive MIMO를 사용해 5G 무선 스펙트럼 효율성 부문에서 세계 신기록 달성

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"NI MIMO 프로토타이핑 시스템 덕분에 우리는 통합 하드웨어 및 소프트웨어 플랫폼을 통한 이번 개발 작업에서 당면한 문제 중 상당수를 해결할 수 있었습니다."

- Paul Harris, University of Bristol

The Challenge:
Cisco는 2020년이면 개인 휴대폰을 소지한 사람이 전 세계적으로 55억 명에 달할 것으로 예상합니다. 영국의 경우만 해도, 수천만 명의 휴대폰 사용자가 매달 1인당 20 GB의 데이터를 사용하고 있으며, 일상생활에서 25가지 이상의 스마트 장치를 사용하고 있습니다. 4K 해상도의 비디오처럼 데이터 사용량이 많은 어플리케이션, 무인 주행 차량, 스마트 공장, 전 세계 어디에나 제공되는 광대역 접속 등으로 도래하고 있는 하이퍼커넥티드 세상을 기존 무선 네트워크가 감당하기 어려울 것은 분명합니다.

The Solution:
이렇게 유례없이 높아지고 있는 빠른 데이터 속도, 더욱 확장된 네트워크 용량, 안정성 개선에 대한 요구를 충족하기 위해, 브리스톨 및 룬드 대학의 엔지니어와 연구자들은 NI MIMO 프로토타이핑 시스템을 사용해 5G 셀룰러 네트워크를 빠른 속도로 발전시킴으로써 대규모 MIMO 기술을 통한 무선 통신의 미래를 혁신적으로 바꿔나가고 있습니다. 이 연구팀은 현재 4G 셀룰러 기술보다 대역폭 효율성이 20배 이상 높음을 성공적으로 증명하면서 신기록을 수립했음은 물론, 6 GHz 이하 대역의 5G 배포에 대한 현실적인 가능성을 제시했습니다.

Author(s):
Paul Harris - University of Bristol
Steffen Malkowsky - Lund University

안테나 수 증가를 통한 혁신

5G 네트워크의 가능성을 현실화하기 위한 첫 번째 단계는 대규모 MIMO의 장점을 이해하는 것입니다. 대규모 MIMO는 기지국에서 다수(64개 이상)의 안테나를 사용해 공간적 멀티플렉싱을 수행합니다. 따라서 라디오 스펙트럼을 추가적으로 사용하거나 간섭을 유발하지 않고 밀집 지역에서 보다 많은 사용자를 지원할 수 있습니다. 다시 말해, 대규모 MIMO를 사용하면 턱없이 부족한 무선 스펙트럼을 한계치까지 사용할 필요가 없기 때문에 통화가 끊어지는 경우가 드물고 데드 존(dead zone)이 대폭 줄어들며 데이터 전송 품질이 더욱 높아집니다.

이 밖에도 대규모 MIMO는 현재 LTE (4G) 네트워크에 비해 확실한 비용 절감 및 에너지 효율성 개선 효과를 제공하는 동시에 더 많은 수의 안테나를 사용하여 안정성을 향상시킵니다.

 

리얼타임 연구로 신기록 수립

브리스톨 및 룬드 대학의 연구팀은 대규모 MIMO가 미래의 5G 네트워크에 대해 용량을 10배로 늘릴 수 있는 기술로 활용하기에 얼마나 적합한지 확인하는 테스트에 나섰습니다. 이 연구팀은 테스트를 위해 NI의 MIMO 프로토타이핑 플랫폼을 선택했습니다. 확장성이 뛰어나고 유연한 소프트웨어 정의 무선 라디오(SDR) 하드웨어와 NI 고급 무선 연구 그룹의 전문성을 바탕으로 한 재구성 가능한 오픈 LabVIEW 소프트웨어를 갖추었기 때문입니다.

NI MIMO 프로토타이핑 시스템을 사용한 덕분에 이 연구팀은 실제 조건 하에서 대규모 MIMO의 이론적 원리를 적용하고 새로운 아이디어를 빠르게 테스트함으로써, 128 안테나 리얼타임 대규모 MIMO 테스트베드에 대한 라이브 데모를 세계 최초로 시연하는 데 성공했습니다. 이 첨단 테스트베드를 사용해 연구팀은 스펙트럼 효율성 측면에서 2회 연속 세계 신기록을 수립할 수 있었습니다. 12명의 동시 사용자에 대해 20 MHz 대역폭 3.5 GHz 완전 양방향 리얼타임 OTA(Over-the-Air) 링크 환경에서 79 b/s/Hz 이상의 스펙트럼 효율성을 달성했습니다. 곧이어 연구팀은 이 시스템을 확장해 동일한 시간-주파수 리소스를 공유하는 사용자 수를 22명으로 늘려 145 b/s/Hz 이상의 스펙트럼 효율성을 달성했습니다.

 

그림 1. 브리스톨과 룬드 대학은 세계 최초로 128 안테나 리얼타임 대규모 MIMO 테스트베드를 구현하여 
무선 스펙트럼 효율성 부문에서 2회 연속 세계 신기록을 세웠습니다.

 

기술

NI MIMO 프로토타이핑 시스템은 NI의 상용(COTS) 하드웨어와 LabVIEW 소프트웨어를 결합한 결과물입니다. 이 플랫폼은 고출력/대용량/저지연 시스템을 구축하기 위한 탄탄한 기반이 됩니다. 연구팀은 100여 가지의 하드웨어를 통합하면서 동시에 단일 소프트웨어 프레임워크 내에서 전체 어플리케이션을 원활하게 개발하는 데 성공했습니다. 이 모듈형 접근 방식과 긴밀한 소프트웨어/하드웨어 통합 그리고 LabVIEW의 리얼타임 내장 FPGA IP에 힘입어 연구팀은 예상보다 빨리 필요한 솔루션을 개발함으로써 시간과 비용 측면에서 효과적인 미래 지향적 플랫폼을 제시할 수 있었습니다.

 

그림 2. NI MIMO 프로토타이핑 시스템은 다양한 종류의 안테나 설정을 지원하는 PXI 하드웨어 및 U
SRP RIO 소프트웨어 정의 라디오(SDR)를 기반으로 구축된 모듈형 시스템입니다.

 

그림 3. 브리스톨 및 룬드 대학 연구팀은 NI MIMO 어플리케이션 프레임워크의 리얼타임 FPGA IP를 사용한 
오픈 소프트웨어 참조를 활용하여 처음부터 개발 작업에 박차를 가할 수 있었습니다.

 

다음 단계

브리스톨 대학과 브리스톨 시의회 간의 조인트 벤처인 Bristol is Open에서, 브리스톨 대학 연구팀은 브리스톨 내 건물 옥상에 대규모 MIMO 테스트베드를 배포하고 광섬유 네트워크에 연결할 계획을 세우고 있습니다. 이를 통해 이 기술이 사회에 미치는 실질적인 영향을 더욱 집중적으로 연구할 수 있을 것으로 보입니다. 브리스톨 대학은 광섬유 네트워크를 활용해 분산된 대규모 MIMO 구성을 구현함으로써 이 시스템을 4개의 32 안테나 서브시스템으로 구현하는 것을 최종 목표로 삼고 있습니다. 이러한 기술은 네트워크 사업자가 보다 향상된 통신 수단을 구축하는 데 힘을 실어 줄 것으로 기대됩니다.

룬드 대학 또한 조만간 자체 NI 대규모 MIMO 테스트베드를 기반으로 보다 현실적인 배포 조건 하에서 옥외 시나리오, 채널 특성화, 가속기 IP 설계에 집중한 측정 테스트를 수행할 예정입니다.

브리스톨 대학과 룬드 대학은 향후에도 다양한 협업 프로젝트를 진행하게 됩니다. 룬드 대학교 연구팀은 브리스톨 대학교 연구팀을 초청해 모바일 사용자를 대상으로 한 옥외 측정 시험을 수행함으로써 대규모 MIMO가 이동성에 미치는 영향을 연구할 예정입니다.

 

그림 4. 브리스톨 대학교의 무반향실에서 128 안테나 배열을 테스트하고 있는 Paul Harris와 Steffen Malkowsky

 

연구팀 소개

브리스톨 대학교의 CSN(Communication Systems & Networks) 그룹은 고정 및 무선 통신 부문의 연구 수요를 충족할 목적으로 1985년에 조직되었습니다. 이 그룹은 기초 학술 연구와 탄탄한 수준의 산업 현장 어플리케이션을 접목하고 있으며 최첨단 테스트 및 측정 장비와 최고급 컴퓨팅 시설을 포함해 각종 시설 장비가 훌륭하게 갖추어진 실험실을 운영하고 있습니다.

브리스톨 대학 연구팀: Mark Beach, Andrew Nix, Paul Harris, Siming Zhang, Henry Brice, Wael Boukley Hasan, and Benny Chitambira

룬드 대학은 우리 주변의 세상과 인간의 환경을 이해하고, 설명하고, 개선하기 위해 노력하는 세계 일류 대학을 추구하고 있습니다. 룬드 대학의 전기공학 정보기술(EIT) 대학은 아날로그 및 디지털 분야는 물론 통신 시스템 설계 영역 역시 다방면으로 연구하고 있으며, MaMi 이론, 채널 측정 및 특성화, 가속기 IP 설계를 비롯한 MaMi (Massive MIMO) 연구의 선봉에 서 있습니다.

룬드 대학 연구팀: Fredrik Tufvesson, Ove Edfors, Liang Liu, Steffen Malkowsky, Joao Vieira, Zachary Miers, Hemanth Prabhu, Erik Bengtsson, Xiang Gao, and Dimitrios Viastaras

Author Information:
Paul Harris
University of Bristol
CSN Group, University of Bristol, Woodland Road
Bristol BS8 1UB
United Kingdom
paul.harris@bristol.ac.uk

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