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다중 입출력 (Multiple Input, Multiple Output: MIMO) 시스템은 여러 개의 안테나와 여러 개의 무선이 있다. 이 시스템은 송신된 신호가 수많은 다양한 경로를 통해 수신기에 도착하는 다중경로 효과를 이용한다. 각 경로는 상이한 시간 지연을 가질 수 있으며, 그 결과 하나의 송신된 신호의 여러 인스턴스가 서로 다른 시간에 수신기에 도착한다.

일반적으로 다중경로는 간섭 원인이 되지만, MIMO 시스템은 데이터가 데이터 링크의 품질을 개선하기 위해 상이한 여러 경로를 통해 서로 다른 시간에 수신기에 도달한다는 사실을 이용한다. 예를 들어, 하나의 전체 메시지를 수신하기 위해 단일 안테나 경로에 의존하지 않고 데이터는 여러 안테나에서 수신된 단편에 근거하여 조각이 한데 모아진다. 이것은 특정 범위에서 데이터 전송 속도를 증가시키거나 특정 데이터 전송 속도에 대해 시스템 범위를 증가시킬 수 있다.

MIMO는 802.11n 표준 구현에 사용된다.

 

 

MIMO-OFDM

가. OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

 

  직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing: OFDM) 방식은 현재 고속 데이터 전송에 가장 적합한 변조 방식이다. OFDM은 다수 반송파 전송(multicarrier transmission)의 특수한 형태로 볼 수 있으며 하나의 데이터열이 보다 낮은 데이터 전송률을 갖는 부반송파를 통해 전송된다. OFDM은 변조 기술과 다중화 기술의 두 가지 형태로 볼 수 있다. 무선통신을 위한 채널환경은 건물과 같은 장애물로 인해 다중경로를 갖는다. 다중경로가 있는 무선채널에서는 다중경로에 의한 지연확산이 생기고 다음 심벌이 전송되는 시간 T_s 보다 지연확산시간 T_d 가 클 경우 심벌 간 간섭(ISI)이 발생하게 된다.  이와 같은 경우를 그림1에서 보여주고 있다. 이 경우 주파수 영역에서 보면 선택적으로 페이딩(Frequency Selective Fading)이 발생하는데 하나의 반송주파수(single-carrier)를 사용하는 경우 심벌 간 간섭성분을 제거하기 위해 등화기를 사용한  다. 하지만, 점점 데이터의 속도가 증가하면서 등화기의 복잡도도 함께 증가한다. OFDM 시스템에서는 고속의 데이터를 다수의 부반송파를 이용하여 병렬로 전송함으로 각 부반송파에서의 저속 전송효과를 얻을 수 있다. 현재 OFDM 시스템은 802.11 Wireless Lan, DMB(Digital Multimedia Broadcasting), PLC(Power Line Communication), xDSL, 4G 이동통신, HPi(High-Speed Portable internet)등 많은 분야의 핵심기술로 사용되고 있다.

나. MIMO(Multiple Input Multiple Output)

  기존의 무선 무선통신시스템은 음성 서비스 위주였으며, 채널의 열악성을 극복하기 위해 주로 채널 코딩을 이용하였다. 그러나 언제, 어디서나 누구와도 통화가 가능한 고품질의 멀티미디어 서비스가 요구됨에 따라 기존의 음성 중심에서 데이터 위주로 그 중심이 이동하게 되고 이를 실현하기 위해서 많은 양의 데이터를 더욱 빨리 그리고 오류가 적게 보내는 기술이 요구되어 졌다.  그러나 불행하게도 이동통신 환경은 다중경로, 음영효과, 전파감쇠, 간섭 등의 영향으로 인해 신호를 크게 왜곡시킨다. 특히 다중경로에 의한 페이딩 현상은 서로 다른 경로를 거쳐 수신되는 서로 다른 크기와 위상을 갖는 신호의 합에 의한 신호의 심각한 왜곡을 초래한다. 이같은 페이딩 현상은 고속 디지털 통신이 해결해야 할 문제 중의 하나이다. 이 문제를 해결하기 위해서 등장한 방법 중의 하나가 MIMO system이다.

   MIMO(Multiple Input Multiple Output) system은 기존의 SISO(Single Input Single Output) system을 발달시킨 형태로 송신 측과 수신 측의 안테나를 여러 개 사용한다. 여러 개의 안테나를 통해 여러 신호를 한꺼번에 보내고 받는 것이 기본이며 이를 통해 bandwidth는 더 이상 늘리지 않고 기존의 system보다 더욱 많은 데이터를 보내는 장점이 있다. MIMO system의 해석은 SISO system을 기본으로 한다.

다. MIMO-OFDM

 

  현재의 무선통신 시스템은 제한된 주파수에 고품질, 대용량의 멀티미디어 데이터 전송을 목표로 한다. 이를 위해서 제한된 주파수를 사용해서 많은 용량의 데이터를 보내는 방법이 대두되고 있다. 이 방법이 MIMO 시스템이다. 이 시스템은 주파수를 더 늘리지 않고도 보다 많은 양의 데이터를 보낼 수 있는 장점이 있다. 하지만 MIMO 시스템은 고속 전송 시 발생하는 심벌간의 간섭, 주파수 선택적 페이딩에 약하다는 단점이 있다. 이런 단점을 극복하기 위해 OFDM 방법을 함께 사용한다. OFDM은 데이터를 병렬 처리함으로써 고속의 데이터스트림을 저속으로 분할하여, 반송파를 사용하여 동시에 전송한다. 저속의 병렬 반송파를 상용함으로써 심벌구간이 증가하게 되므로 ISI가 줄어들게 되고 또한 guard interval의 사용으로 거의 완벽히 ISI가 제거된다. 또한 OFDM은 여러 개의 반송파를 이용함으로써 주파수 선택적 페이딩에 강한 장점이 있다. 결국 이 두 시스템을 결함함으로써 MIMO 시스템의 장점은 그대로 이용하고 단점은 OFDM시스템을 이용해 상쇄시킬 수 있다.  N_t 개의 송신 안테나와 N_r개의 수신 안테나를 가지는 형태가 일반적인 MIMO 시스템이다. 이 시스템에 OFDM을 결합한 구조가 MIMO-OFDM 시스템의 기본이 된다.