다중 안테나 송수신 (MIMO: multiple input multiple output) 시스템은 여러 개의 송신 안테나와 수신 안테나에 의한 공간 다중화 및 공간 다이버시티를 이용하여 추가적인 자원의 할당 없이 무선 채널의 링크의 신뢰도를 향상시키거나 신호의 품질을 향상시킬 수 있기 때문에 이동 통신 시스템에서 많은 관심을 받고 활발하게 연구되어 왔다[1]. 특히, 무선 랜과 4세대 이동통신 시스템인 LTE (long term evolution)에서는 이미 MIMO 기술이 의무 사양으로 적용되고 있고 향후에는 점차 사용하는 안테나 개수가 증가할 것으로 예상된다. 이러한 다중 안테나 송신 시스템을 구성하기 위해서는 안테나 개수만큼의 DAC (digital to analog converter) 및 RF (radio frequency) 경로가 필요하다 (그림 1 참조). 따라서 안테나 개수가 증가함에 따라 DAC의 개수도 비례해서 증가하게 되고 구현 면적 및 소비 전력도 같이 증가하게 된다.

최근에는 통신 성능과 함께 통신시스템 에너지 소비효율도 중요하게 인식되고 있다 [2-4]. 에너지 효율 관점에서는 앞서 설명한 대로 안테나 개수가 증가할수록 전력소비가 증가한다. 본 논문에서는 안테나 개수만큼 필요한 DAC 대신에 한 개의 고속 DAC와 아날로그 스위치를 이용하여 여러 DAC를 사용하는 것과 동일한 출력을 얻을 수 있는 방안을 제안한다. 제안하는 방안은 기존 DAC의 동작 클럭에 비해 송신 안테나의 개수만큼 고속으로 동작하는 DAC의 입력에 각 안테나의 출력 신호를 번갈아가며 입력하여 다중화하고 (TDM: Time division multiplexing), 이렇게 얻은 DAC 출력에서 고속 아날로그 스위치를 이용하여 다시 각 안테나 별 MIMO 신호를 분리하는 방식이다 (그림 2 참조). 제안하는 방식을 통하여 기존 다중 안테나 시스템과 동일한 신호를 얻으면서 구현 비용 및 면적과 전력소모를 동시에 줄일 수 있다. 본 논문에서는 컴퓨터 모의실험을 통하여 제안하는 방식과 기존 방식을 비교 분석 하고, 또한 실제 상용 FPGA(Field programmable gate array), DAC, 아날로그 스위치를 이용하여 실험을 수행하여 검증을 수행한다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. II 절에서는 제안하는 방안을 설명하고 III 절에서 모의실험 결과를 보이며, IV절에서는 실험 환경과 결과를 보인다.

그림 3은 송신 안테나 개수가 2일 때 제안하는 방안에 대한 동작원리를 보인다. 첫 번째 안테나에서 송신할 신호가 1000, 2000이라고 하고 두 번째 안테나에서 송신할 신호가 500, 1500이라고 하자. 먼저 각 안테나에서 송신할 이 신호를 2배 업샘플링 한다. 즉, 각 안테나의 전송 신호 사이사이에 ‘0’을 삽입하여 클럭을 2배 높인다. 이후 첫 번째 경로에 한 클럭 지연을 주고 두 안테나 신호를 서로 더하면 두 안테나에서 전송할 값이 서로 겹치지 않게 된다.

일반적으로 이러한 방식으로 여러 신호를 한 개 신호로 만드는 다중화 방법을 TDM이라고 부른다. 이렇게 만든 신호를 DAC를 통하여 아날로그 신호로 변환한다. 기존 방식과 비교하면 DAC 두 개를 사용하는 대신 제안 방식은 두 배의 클럭으로 동작하는 DAC 한 개만이 사용된다. 다음으로 DAC 출력에서 다중 안테나 신호를 분리해야 한다. 신호의 분리는 DAC와 동일한 클럭으로 동작하는 아날로그 스위치를 이용하여 수행할 수 있다. 두 안테나의 신호는 시간으로 분리되어 겹치지 않게 더해져 있기 때문에 이 신호를 정확한 클럭으로 동작하는 아날로그 스위치를 이용한다면 그림 3과 같이 두 신호를 분리할 수 있다.

이러한 과정을 통해서 2배로 동작하는 DAC와 아날로그 스위치만으로 DAC 두 개를 사용하는 기존 송신기와 거의 동일한 출력을 얻을 수 있다. 기존의 방식과 제안 방식의 차이는 신호가 유지되는 시간이 제안 방식의 경우 기존 방식에 비해 절반으로 줄어든다는 점이다. DAC는 한 클럭 주기 동안 이전 출력을 유지하는 ZOH (zero order holder) 특성을 보이는데, 제안 방식의 경우 아날로그 스위치에 의해 이 시간이 기존 방식에 비해 절반으로 줄어든다. 그런데, DAC의 ZOH 특성은 신호의 스펙트럼을 sin(πfT)/(πfT)모양으로 왜곡시키는 특성을 보인다. 즉 주파수가 높아질수록 스펙트럼의 크기가 줄어드는 왜곡을 겪는다. 여기에서 T 는 신호가 유지되는 시간을 나타내는데 T 가 클수록 주파수에 따른 왜곡이 커지고 T 가 작을수록 주파수에 따른 왜곡이 줄어든다. 따라서 제안 방식의 경우 신호의 출력은 절반으로 줄어들지만 왜곡은 더 완화되는 장점이 있을 것으로 예상할 수 있다.

지금까지 송신 안테나 개수가 2인 경우의 제안 방안의 동작 원리에 대해 설명했지만 안테나 개수가 2 이상인 경우에도 쉽게 확장하여 적용이 가능하다. 즉, 제안 방안을 이용하면 송신 안테나 개수와 상관없이 안테나 개수에 비례하여 고속으로 동작하는 DAC 한 개와 아날로그 스위치로 여러 개의 DAC를 대체할 수 있다.

본 절에서는 컴퓨터 모의실험을 통해 본 논문에서 제안하는 방안에 대해 실험하고 그 특성을 관찰한다. II절의 예제와 같이 송신 안테나 2개인 환경에서 모의실험을 수행하였다. 그림 4(a)는 안테나의 개수만큼, 즉, 2개의 DAC를 사용하는 기존 방식에서의 DAC출력 스펙트럼과 제안하는 방안을 적용한 경우의 스펙트럼을 비교하고 있다. 제안하는 방안을 적용하면 전력은 기존의 방법보다 3 dB정도 작아지는 것이 확인되지만 스펙트럼의 모양은 동일함을 확인할 수 있다. 스펙트럼 왜곡 특성 역시 기존 방식에 비해 완화되어 제안 방식의 경우 첫 번째 스펙트럼 널이 발생하는 주파수가 2배 커짐을 확인할 수 있다. 그림 4 (b)는 기저대역 신호만 확대해서 보이고 있는데 제안하는 방식이 기존 방식과 전력 차이 이외에는 거의 동일한 스펙트럼 특성을 보이고 있다.

제안하는 방안을 검증하기 위해 상용 칩을 이용하여 실험환경을 구축하였다. 구체적으로 Xilinx 사의 FPGA (Field programmable gate array), Analog Devices 사의 DAC와 아날로그 스위치를 이용하여 실험 환경을 구축하였다. 안테나 수는 2개로 가정하였다. FPGA는 전송 웨이브폼 생성, 업 샘플링 및 TDM을 담당하며 또한 아날로그 스위치를 제어하는 역할도 수행하였다. 본 실험에 사용된 주요 부품은 다음과 같다. DAC는 Analog devices의 AD9114 [5], 아날로그 스위치는 동사의 ADG936 [6]을 사용하였다. MIMO 신호로는 주파수가 다른 두 개의 정현파를 사용하였다. 대역폭을 가지는 모뎀신호가 아닌 정현파를 사용한 이유는 스펙트럼 분석기를 통해 신호의 분리 여부를 명확하게 관찰하기 위해서다. 2개의 MIMO 신호는 5 MHz의 클럭 속도로 생성되었으며 첫 번째 안테나 신호로는 950 kHz, 두 번째 안테나 신호로는 650 kHz의 정현파가 사용되었다. 따라서 이 두 신호는 FPGA에서 10 MHz 클럭에서 TDM 결합되며 역시 10 MHz 클럭으로 동작하는 DAC를 통해서 아날로그 신호로 변환된다. 그림 5는 본 실험에서 구축한 MIMO 송신기의 구성도를 보이고 있다.

그림 6과 그림 7은 아날로그 스위치 출력의 스펙트럼을 보이고 있다. 이 결과는 아날로그 스위치 제어신호에 대한 정확한 시간 동기가 맞지 않은 경우이다. 그림 6은 안테나 1의 출력이고 그림 7은 안테나 2의 출력을 나타낸다. 결과에서 확인할 수 있듯이 두 개의 주파수가 스펙트럼에서 관찰된다. 하지만 각 안테나에서 하나의 주파수만 관찰되지 않고 상대 안테나 신호의 상당한 성분이 동시에 관찰이 되었다. 이는 각 안테나의 신호가 제대로 분리되지 못했음을 의미한다. 이와 같은 상대 신호 간섭은 아날로그 스위치 제어신호의 시간 동기가 정확하지 않았기 때문에 발생한다. 앞서 설명한 바와 같이 DAC 출력 신호에는 안테나 1의 신호와 안테나 2의 신호가 서로 엇갈려서 배치되어 있다. 따라서 두 신호를 분리해 내기 위해서는 정확히 두 신호의 경계에서 아날로그 스위치가 동작해야 한다. 그림 6과 7은 이와 같은 시간 동기를 정확하게 맞추지 않았기 때문에 발생하는 현상이다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 아날로그 스위치 신호를 FPGA를 통해 1/300 MHz = 3.33 ns의 해상도로 조정을 수행하였다. 이를 통해 두 안테나의 신호가 가장 잘 분리가 되도록 설정하였다. 그림 8과 그림 9는 시간 동기 조정 후 각각 안테나 1과 안테나 2의 아날로그 스위치 출력 스펙트럼을 보이고 있다. 이 결과에서 확인할 수 있듯이 두 신호의 분리가 이전보다 훨씬 잘 이루어지는 것을 확인할 수 있고, 상대 신호의 간섭이 -35 dB 수준으로 감소한 것을 확인할 수 있다.이러한 결과는 제안하는 방안이 실제 상용 부품을 이용한 실험에서도 잘 동작하는 것을 보여주며, 정확한 신호의 분리를 위해서는 아날로그 스위치 제어 신호의 동기가 매우 중요함을 확인할 수 있다.

다음으로 제안하는 방안을 통해 전력소모를 얼마나 줄일 수 있는지 분석한다. [5, Fig. 83]에 의하면 본 실험에 사용한 DAC는 5 MHz 클럭으로 동작할 때 전체 소모 전류가 약 26 mA이며 10 MHz 클럭으로 동작할 때 약 27 mA이다 (20 mA 출력 모드). 전원이 3.3 V 임을 고려하면 기존 방식의 경우 5 MHz DAC 두 개를 사용하므로 171.6 mW가 소모되고 제안하는 방안의 경우 89.1 mA가 소모된다. [6]에 따르면 아날로그 스위치는 소모 전력이 0.00275 mW가 넘지 않는다. 결국 제안방안을 적용함으로써 소모 전력을 48% 줄일 수 있다. 이러한 소모 전력은 안테나 개수가 증가하면 더 줄 일 수 있다. 따라서 제안하는 방안을 적용하면 개발 비용과 면적도 줄일 수 있지만 소모 전력을 상당히 줄일 수 있다.

본 논문에서는 MIMO 송신기에서 데이터 컨버터 개수를 줄일 수 있는 새로운 아이디어를 제안하였고 실제 실험을 통하여 검증하였다. 안테나 2개를 가정하여 2개의 DAC를 하나의 고속 DAC와 하나의 아날로그 스위치로 대체하였고 스위치 제어신호의 정밀한 시간 동기를 맞춤으로써 두 신호를 분리할 수 있음을 확인하였다. MIMO용 스위칭 데이터 컨버터는 기존 시스템의 성능을 훼손하지 않고 비용, 면적 및 전력소모를 줄일 수 있어 MIMO 시스템 구현에 대안이 될 수 있다.