셀룰러 네트워크 시스템에서 4G LTE든 5G NR이든 다중 입출력(MIMO)과 Carrier Aggregation(CA)은 모두 핵심 기술입니다. 하지만 이 둘의 차이점은 무엇일까요?

Carrier Aggregation은 LTE Advanced 네트워크에 도입된 고도로 혁신적인 기술로, 모바일 네트워크가 여러 주파수 캐리어를 하나로 결합하여 전체 캐리어 대역폭을 늘려 휴대폰 사용자에게 더욱 중요한 데이터 속도 향상을 가져옵니다. 초기 3GPP Release 8 기반의 LTE 네트워크는 Carrier Aggregation을 지원하지 않았지만, LTE 네트워크는 유연한 대역폭 구성을 지원하며, 이는 1.4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 20 MHz와 같은 다양한 대역폭의 주파수 캐리어를 사용할 수 있다는 것을 의미합니다.

LTE-Advanced Release 10은 Carrier Aggregation(인접 대역 내 및 비인접 대역 간)을 도입한 최초의 LTE 버전으로, 5×20 MHz를 표준 CA로 사용했지만 두 사업자에 한정되었습니다. 2012년에 도입된 LTE-Advanced Release 12는 대역 내 비인접 Carrier Aggregation을 지원합니다. 최대 5개의 주파수 캐리어를 유연한 대역폭으로 집성하며, 최대 100MHz 대역폭을 지원합니다. 100MHz 대역폭도 이미 인상적이지만, LTE-Advanced Pro 네트워크는 더 높은 사양의 Carrier Aggregation 구성을 제공했습니다. 이는 다운링크에서 최대 3 Gbps의 처리량을 제공하는 것을 목표로 하며, 더 큰 캐리어 크기를 필요로 합니다. 3GPP Release 13은 최대 32개의 캐리어까지 Carrier Aggregation을 지원하여 최대 640MHz 대역폭에 도달하는 LTE-Advanced Pro 네트워크를 도입했습니다.

Carrier Aggregation은 LTE-Advanced 네트워크에서 이미 제시된 핵심 기술이지만, LTE의 진화를 통해 1Gbps를 초과하는 사용자 데이터 속도를 달성하게 합니다. 그러나 5G 네트워크에서는 Carrier Aggregation이 멀티 기가비트 5G로의 진화를 지원하여 사용자 데이터 속도가 약 4 Gbps 이상에 도달할 것입니다.

Carrier Aggregation에 대해 이야기한 후, MIMO가 정확히 무엇인지 살펴보겠습니다.

무선 네트워크에서 두 개의 무선 노드는 라디오 채널을 통해 데이터를 송수신하며 통신합니다. 이 채널은 특정 무선 스펙트럼을 사용합니다. 하지만 많은 지역에서 적합한 스펙트럼이 부족하며, 더 많은 스펙트럼을 사용하는 것은 비실용적입니다.

MIMO는 Multiple Input Multiple Output의 약자로, 스펙트럼을 늘리지 않으면서 용량을 증가시킬 수 있는 고급 안테나 기술입니다. 따라서 4G LTE, LTE-Advanced 및 LTE-Advanced Pro 네트워크에서 널리 채택되었습니다. MIMO는 공간 다중화, 안테나 다이버시티 및 빔포밍을 통해 데이터 속도와 신호 품질을 효과적으로 향상시킵니다.

MIMO는 4G LTE에서 공간 다중화 원리에 중점을 둡니다. 이는 공간적으로 분리된 여러 안테나(공간 분할 다중화)를 통해 통신이 이루어진다는 것을 의미합니다. 동시에 MIMO는 안테나 다이버시티를 통해 다중경로 페이딩의 영향을 최소화하여 모바일 신호 품질을 향상시킵니다.

또한 MIMO는 빔포밍 기술의 이점을 활용하여 여러 안테나가 동일한 수신기로 신호를 전송함으로써 수신기가 더 강한 신호를 받을 수 있도록 합니다. LTE 네트워크는 다운링크와 업링크에 대해 서로 다른 MIMO 구성을 사용하며, 송신기와 수신기 모두 이러한 구성을 지원해야 합니다.

3GPP Release 8에 따르면, 원래 LTE 네트워크는 다운링크에서 4×4 MIMO 구성과 업링크에서 2×2 MIMO 구성을 지원합니다. 4×4 다운링크 구성은 기지국 송신기의 4개 안테나 요소가 휴대폰으로 신호를 전송하고, 휴대폰 수신기의 4개 안테나 요소가 신호 수신을 담당한다는 것을 의미합니다. 업링크 전송은 휴대폰에서 기지국으로 다시 이루어집니다.

LTE-Advanced 및 LTE-Advanced Pro 네트워크는 다운링크에서 8×8 MIMO 구성과 업링크에서 4×4 MIMO 구성을 사용합니다. 요약하자면, MIMO와 Carrier Aggregation은 현대 셀룰러 네트워크에서 각자의 독특하고 중요한 역할을 수행하며, 사용자에게 더 빠르고 안정적인 통신 경험을 공동으로 제공합니다. 5G(NR) 네트워크에서는 Massive MIMO라는 고급 MIMO가 채택되었으며, 이는 더 높은 구성과 다중 사용자 MIMO를 사용합니다. Massive MIMO는 초고속 밀리미터파 5G의 핵심 지원자이자 기반 구성 요소가 되었습니다.

Massive MIMO로 간주되기 위해 몇 개의 안테나가 있어야 하는지에 대한 고정된 정의는 없지만, 일반적으로 8×8 이상의 안테나를 가진 시스템은 Massive MIMO 시스템으로 간주되며, 8×8은 8개의 송신 안테나와 8개의 수신 안테나를 의미합니다. 일반적으로 MIMO는 안테나 기술로서 Carrier Aggregation과는 다른 강조점을 가집니다.

Carrier Aggregation은 주파수 캐리어 결합에 중점을 두는 반면, MIMO는 기존 주파수 캐리어를 공간적으로 더 효율적으로 다중화하여 휴대폰 사용자의 데이터 속도를 높입니다. Carrier Aggregation은 여러 주파수 캐리어를 결합하여 휴대폰에 더 큰 캐리어 대역폭을 할당합니다. 하지만 MIMO는 송신기에서 다수의 안테나 요소를 활용하여 여러 병렬 데이터 스트림을 수신기로 전송합니다. MIMO 수신기 또한 여러 안테나 요소를 갖추어 이러한 데이터 스트림을 수신하며, 사용자 장비의 출력은 다양한 데이터 스트림을 결합하여 생성됩니다. 이러한 방식으로 각 데이터 흐름은 기지국과 사용자 장비 간의 가상 채널 역할을 합니다.