하이브리드 빔포밍이란 무엇인가?

빔포밍은 특정 방향으로 전자기 에너지를 전송하기 위해 무선 시스템에서 안테나 배열을 사용하는 중요한 방송 방법입니다. 더 많은 무선 시스템들이 빔포밍과 MIMO를 사용하여 다중 사용자(또는 대상)를 처리할 수 있는 능력을 확장하고 있습니다. 이는 이미 레이더, WiFi, 그리고 새로운 고대역폭 통신 시스템(5G)에서 사용되고 있습니다. 시스템 디자이너에게는 이러한 시스템에서 안테나 배열의 레이아웃 요구 사항을 이해하는 것이 중요합니다. 이 요구 사항들은 RF 시스템에서 사용되는 빔포밍 방법과 관련이 있습니다.

빔포밍에 대해 이야기할 때, MIMO와의 구별에 대한 혼란이 있을 수 있으며, 두 기술이 서로 관련이 없다고 언급되는 경우가 있습니다. 이는 특별한 경우에만 사실이지만, 일반적으로 다중 사용자 MIMO(MU-MIMO)는 여러 대상에 변조된 신호를 직접 전달하기 위해 빔포밍을 요구합니다.

이 글에서는 아날로그와 디지털 기술을 결합한 고급 방법인 하이브리드 빔포밍 구현을 살펴보겠습니다. 이 방법은 디지털 및 아날로그 기술을 혼합하여 여러 빔을 생성하고, 따라서 다양한 강도로 여러 사용자에게 도달할 수 있습니다. RF 이미징 시스템이나 레이더 시스템의 경우, MIMO 기술에서의 하이브리드 빔포밍은 조절 가능한 해상도로 여러 대상을 추적할 수 있도록 합니다.

하이브리드 빔포밍 개요

하이브리드 빔포밍을 위한 시스템 설계 방법론을 살펴보기 전에, 아날로그 및 디지털 빔포밍 방법에 대한 간단한 개요가 중요하다고 생각합니다. 빔포밍은 안테나에서 전자기 에너지가 특정 경로나 각도를 따라 집중되도록 방사 분포를 공학적으로 조정하는 기술입니다.

빔포밍을 수행하기 위해 필요한 핵심 구조는 안테나 배열, 즉 두 차원에서 규칙적으로 배치된 안테나 그룹입니다. 위상 배열로 보내는 신호의 상대적인 위상과 진폭을 제어함으로써 방출되는 빔의 방향을 제어할 수 있습니다. 배열의 각 방출기에서 전자기 방사를 한 방향으로만 방출하거나, 편광을 활용함으로써 방출할 수 있는 가능한 빔의 수를 더욱 두 배로 늘릴 수 있습니다.

아날로그 빔포밍

아날로그 빔포밍은 안테나 배열의 여러 안테나에 신호를 보내는 방식으로 작동합니다. 각 안테나로 보내진 신호는 특정 시간 창에 의해 지연되며, 이는 배열의 각 안테나에서 방출되는 방사에 위상 차이를 적용합니다. 이러한 안테나 배열은 위상 배열로 더 잘 알려져 있으며, 이 위상 차이의 적용은 역사적으로 RF 시스템에서 빔포밍을 위한 지배적인 방법이었습니다.

이 방법에서는 단일 신호(가능하면 변조된)를 안테나 배열에 입력합니다; 이 신호는 각 안테나에 도달하기 전에 송수신기에 의해 위상이 변화됩니다. 안테나 간의 간격은 빔 방향과 사이드로브의 강도를 결정할 것입니다. 이상적인 이득 증가는 log(N)이 될 것이며, 여기서 N은 배열에 있는 안테나의 수입니다. 마지막으로, 한 차원에서의 강도 분포(아래에 표시됨)는 여러 방사체에서의 회절 사례입니다.

이 배열들은 위상을 조정함으로써 스캔될 수 있습니다. 2D 배열의 경우, 수직 방향에서 최대 스캔 각도를 결정하는 시야를 설계할 수 있으며, 이는 다음 요소에 따라 달라집니다:

• 자유 공간에서의 방사 파장
• 방사 요소의 크기(위 예제에서의 수직 크기)
• 방사 요소 간의 거리(위 예제에서의 수직 거리)

같은 아이디어가 수평 방향에도 적용됩니다. 이제 두 개의 직교 스캔 방향을 가지게 되며, 이들은 방사 안테나 요소의 크기, 수량, 밀도에 따라 다른 해상도를 가질 수 있습니다. RF 설계의 몇 가지 중요한 분야에서 중요한 주제이므로 이에 대해 다가오는 기사에서 더 깊이 살펴볼 것입니다.

디지털 빔포밍

디지털 빔포밍은 다른 접근 방식을 취하며 훨씬 덜 직관적입니다. 디지털 빔포밍에서는 다중 변조 신호가 안테나 배열로 전송되며, 배열로 전송된 신호의 위상과 진폭이 결합되어 원하는 빔 패턴을 생성합니다. 가장 기본적인 경우는 단일 입력 데이터 스트림(예: QAM 별도 지점)이 여러 안테나로 전송되고, 진폭이 결합되어 원하는 방사 패턴을 생성합니다.

디지털 빔포밍은 사실 더 고급 방송 유형인 프리코딩의 특별한 경우입니다. 빔 패턴은 반송파와 공간 분포 함수(Y)의 곱의 합으로 정의될 수 있습니다. 각 요소에서 방출된 신호(y)와 각 요소로의 입력 신호(x) 사이의 관계는 아래와 같이 프리코딩 행렬에서 정의됩니다:

여기서 핵심은 위에서 정의된 프리코딩 행렬을 결정하는 것입니다. 이는 원하는 방사 패턴(함수 y의 집합)에서 역으로 작업하여 N 방사 요소에 대한 방정식 시스템을 푸는 것을 포함합니다. 이는 소프트웨어나 시스템 컨트롤러(FPGA)에서 수행될 수 있습니다. 그러면 방출은 동일한 배열에서 다른 방향과/또는 다른 시간 창에서 여러 빔을 생성할 수 있습니다.

시간 창문 문제(본질적으로 시간 분할 다중 접속)는 MU-MIMO가 있는 5G와 같은 것에 적합하지 않습니다. 여기서는 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDM)이 독립적으로 변조된 직교 부반송파의 방송을 허용하기 위해 사용됩니다. 또한, 빔포밍은 배열 내에서 공간 다중 접속을 가능하게 하여 여러 사용자에게 도달하는 것이 필수적입니다.

하이브리드(디지털 + 아날로그) 빔포밍

이제 하이브리드 빔포밍에 대해 좀 더 자세히 살펴볼 수 있을 것 같습니다. 하이브리드 빔포밍에서는 서브어레이를 사용하여 디지털 빔포밍과 아날로그 빔포밍을 결합합니다. 먼저, 입력 데이터 스트림 세트(x)와 함께 이것이 어떻게 작동하는지 생각해 봅시다.

1. 입력 데이터 스트림 세트는 디지털 빔포밍에서처럼 먼저 프리코딩됩니다.
2. 스트림을 전체 배열에 직접 출력하는 대신, 프리코딩된 스트림들은 개별 아날로그 빔포머 또는 서브 어레이로 보내집니다.
3. 각 서브 어레이로 보내진 스트림은 그 서브 어레이만의 빔을 생성하기 위해 위상이 이동되며, 이는 최종 사용자를 향해 지향됩니다.

이는 아래 블록 다이어그램에서 설명된 대로 따릅니다.

위의 이미지에서 각 안테나에서 무슨 일이 일어나고 있는지 분명히 알 수 있기를 바랍니다. 안테나들은 여러 데이터 스트림에 대해 여러 빔의 중첩을 정의하기 위해 프리코딩을 사용하고 있으며, 이를 통해 공간 다중화를 달성하고자 합니다. 프리코딩 행렬의 모든 요소가 0이 아니고 복소수인 한, 모든 신호는 모든 안테나로 전송되지만, 각 입력 스트림에 대해 혼합된 진폭/위상 조합으로 전송됩니다. 결과는 각 입력 데이터 스트림에 대한 원하는 빔포밍입니다.

이것이 여러 대상에 방송해야 하는 RF 시스템으로 더 높은 처리량을 얻을 수 있는 방법입니다; 같은 시간 창에서 여러 직교 캐리어를 방송하면서 빔포밍을 사용하여 공간 다중화를 강제할 수 있습니다. mmWave 센싱과 같은 것을 사용하면 여러 빔을 방송하고 여러 대상을 추적하거나, 라이다와 같은 광학 시스템의 복잡함 없이 매우 밀집된 포인트 클라우드를 단순히 구축할 수 있습니다.

PCB에는 모든 것이 어디에 배치되나요?

어느 시점에서, 배열의 안테나들은 PCB에 배치되어 시스템 컨트롤러/송수신기에 연결되어야 합니다.

PCB 레이아웃에서 구조에 관해 생각할 때, 각 아날로그 서브 어레이를 PCB의 다른 영역으로 분리해야 한다고 생각할 수 있습니다. 반드시 그런 것은 아니지만, 이런 방식으로 하면 배치와 라우팅을 훨씬 쉽게 할 수 있습니다. 이는 아날로그 빔포머 제어 장치가 서브 어레이 내의 안테나들 사이에만 확실한 위상을 설정해야 하기 때문이며, 모든 안테나들 사이에 설정하는 것보다는 더 쉽습니다. 또한, 모든 송수신기와 디지털 컨트롤러를 같은 위치에 두기가 어렵기 때문에, 이들을 다른 서브 어레이로 나누는 것이 훨씬 쉽습니다.

제 말이 무슨 뜻인지 알고 싶다면, 아래의 순수 아날로그 시스템을 가진 이미지를 보세요. 시스템 내 모든 송수신기 요소를 동기화하기 위해 시스템 오실레이터가 필요하며, 각 송수신기는 자신의 어레이 부분에 필요한 위상을 적용할 수 있습니다. 문제는 모든 송수신기 요소에 걸쳐 길이 튜닝을 적용해야 한다는 데 있습니다.

결국, 시스템 전체에서 타이밍 위상을 유지하면서 모든 송수신기에 도달하기 위해 제어된 임피던스를 가진 과도한 레이어 수가 필요하게 됩니다. 어레이가 확장됨에 따라, 제어 칩을 뒷면에 배치해야 할 수도 있으며, 이는 안테나로의 급전선을 비아를 통해 끌어와야 한다는 것을 의미합니다.

하이브리드 빔포밍 접근 방식에서는 주 시스템 컨트롤러가 빠른 디지털 인터페이스와 내장된 클록(예: JESD204C)을 사용하여 여러 ADC/DAC + PA 요소를 동기화합니다. 이는 RF 오실레이터를 전체 시스템에 걸쳐 동기화하는 데 대한 의존도를 줄일 수 있음을 의미하며, 이는 서브어레이 내에서만 필요하게 됩니다.

이러한 배치 및 라우팅 포인트 외에도, 스택업 디자인, 전송선 디자인, 비아 디자인에 대한 표준 RF PCB 디자인 모범 사례를 따르는 것이 중요합니다. 비아 디자인에 대한 언급은 매우 중요한데, 모든 안테나를 배치하는 데 많은 공간이 필요할 수 있으므로, 송수신기를 보드의 뒷면에 배치하고 내부 레이어에 디지털 라우팅을 할 수 있습니다.

• 하이브리드 RF PCB 스택업 디자인의 기초를 배우세요
• 고주파 전송선 디자인에 대해 더 알아보세요
• RF 시스템을 위한 신호 체인 디자인에 대해 더 알아보세요

최종 생각

아날로그 빔포밍은 대규모 어레이에 적용될 때 빠르게 확장성이 떨어질 수 있습니다. 여러 송수신기가 있는 작은 발자국 MIMO 시스템의 경우, 아날로그 빔포밍에서 필요한 시스템 수준의 동기화를 강제하는 것이 매우 어려울 수 있습니다. 문제는 시스템의 주 오실레이터를 송수신기 요소에 걸쳐 확장하여 어레이에서의 방출이 모든 곳에서 동기화되도록 해야 한다는 것입니다.

"5G 기지국 장비를 설계하지 않는데, 왜 이것을 알아야 하지?"라고 생각할 수 있습니다. 이러한 빔포밍 기술은 5G를 넘어서 다른 중요한 응용 분야에서도 사용됩니다:

• 위상 배열 레이더
• 새로운 mmWave 감지 시스템, 특히 ADAS에서
• 초음파 영상
• IEEE 802.11 표준 (특히 WiFi 5 이후 버전)
• 소나

위상 배열 설계는 안테나만을 의존하지 않습니다. 전체 배열에서 방사체의 위상과 진폭이 의도한 값이 되도록 신호를 어디에 배치하고 라우팅할지 이해해야 합니다. 전자기학 응용 분야에서, 위상 배열 안테나는 PCB 레이아웃에 다각형으로 쉽게 배치될 수 있지만, 위에서 언급한 배치와 라우팅의 도전 과제를 염두에 두어야 합니다.

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