빔포밍¶

스펙 · 릴리즈

LTE: TS 36.213 §7.1 (TM7/8/9 빔포밍 전송 모드), FD-MIMO: Rel-13/14 · NR 빔 관리: TS 38.213 §6 (빔 실패 복구), TS 38.214 §5.1.5 (TCI/QCL), §5.2 (빔 보고)

안테나 배열 모델: TR 38.901 §7.3

한눈에 보기

손전등의 빛을 렌즈로 모으면 더 멀리 비출 수 있습니다. 빔포밍은 여러 안테나에서 나가는 전파의 위상을 조금씩 다르게 해서, 원하는 방향에서는 보강되고 다른 방향에서는 상쇄되게 만드는 기술입니다.

원하는 단말 쪽으로 에너지가 모여 신호가 강해집니다(배열 이득).
다른 방향으로는 덜 퍼져서 다른 셀·단말에 주는 간섭이 줄어듭니다.
안테나가 많을수록 빔이 좁고 강해집니다.

파장이 짧은 mmWave(FR2)에서는 작은 면적에 안테나를 수십~수백 개 넣을 수 있어서, 빔포밍이 필수가 됩니다. 그래서 NR에는 빔을 찾고 바꾸는 빔 관리 절차가 따로 있습니다.

배열 패턴¶

안테나 \(N\)개를 반 파장(\(\lambda/2\)) 간격으로 일렬로 놓고(ULA) 각 안테나에 위상 \(e^{-j\pi k \sin\theta_0}\)를 주면, 빔이 \(\theta_0\) 방향을 향합니다.

안테나 수 N	배열 이득	반전력 빔 폭(정면)
4	6 dB	약 26°
8	9 dB	약 13°
16	12 dB	약 6.4°
64	18 dB	약 1.6°

반전력 빔 폭은 \(\approx 102°/N\)로 근사할 수 있습니다(정면 기준, 조향각이 커지면 \(1/\cos\theta_0\) 배로 넓어짐).

구현 방식¶

방식	구조	장점	단점	주 사용처
디지털	안테나(또는 소자 묶음)마다 RF 체인 + ADC/DAC	주파수별 다른 빔, 여러 사용자 동시 빔 (MU-MIMO)	전력·비용 큼	FR1 Massive MIMO (32T32R, 64T64R)
아날로그	RF 체인 1개 + 소자별 위상 천이기	저전력, 많은 소자	한 시점에 한 방향 빔만	FR2 단말
하이브리드	RF 체인 몇 개 × 소자 서브어레이	둘의 절충	설계 복잡	FR2 기지국

아날로그 빔은 한 번에 한 방향만 보므로, 기지국은 여러 방향을 시간을 나누어 훑어야(beam sweeping) 합니다. NR의 SSB가 여러 개(FR2 최대 64개)인 이유입니다.

빔 관리 개요 (NR)¶

sequenceDiagram
    participant gNB as 기지국
    participant UE as 단말
    Note over gNB,UE: P-1 · 넓은 빔 스윕
    gNB->>UE: SSB #0 … #63 (방향별)
    UE->>gNB: 가장 좋은 SSB에 연결된 RACH 자원으로 접속
    Note over gNB,UE: P-2 · 기지국 좁은 빔 정밀화
    gNB->>UE: CSI-RS (좁은 빔 여러 개)
    UE->>gNB: 빔 보고 (CRI + L1-RSRP)
    Note over gNB,UE: P-3 · 단말 수신 빔 정밀화
    gNB->>UE: 같은 빔으로 CSI-RS 반복 (repetition on)
    Note right of UE: 수신 빔을 바꿔 가며 측정

자세한 내용은 NR 빔 관리 개요에서 다룹니다.

전문가 노트 — 배열 수식과 실무

배열 인자. 간격 \(d\), 조향각 \(\theta_0\)인 \(N\)-소자 ULA:

\[ AF(\theta) = \sum_{k=0}^{N-1} e^{\,j 2\pi \frac{d}{\lambda} k (\sin\theta - \sin\theta_0)}, \qquad |AF(\theta_0)|^2 = N^2 \]

송신 전력을 \(N\)개 소자에 나누면 소자당 \(1/N\)이므로 실제 EIRP 증가는 \(10\log_{10}N\) (배열 이득)이고, 소자마다 증폭기가 있으면 총 송신 전력도 \(N\)배가 되어 EIRP는 \(20\log_{10}N\)만큼 커집니다. \(d > \lambda/2\)이면 큰 조향각에서 그레이팅 로브(원치 않는 두 번째 주 빔)가 생깁니다.

안테나 배열 표기 (TR 38.901). \((M, N, P, M_g, N_g)\) = (세로 소자 수, 가로 소자 수, 편파 수, 세로 패널 수, 가로 패널 수). 예: 64T64R 매크로 안테나는 192개 소자(12×8×2)를 TXRU 64개로 묶는 식으로 구성합니다. 소자 → TXRU 매핑 방식에 따라 세로 방향 빔 조향 범위가 달라집니다.

LTE의 빔포밍 이력. - TM7 (Rel-8): 단일 레이어, 단말별 참조신호(포트 5) - TM8 (Rel-9): 이중 레이어 빔포밍 (포트 7, 8) - TM9 (Rel-10): 최대 8 레이어, CSI-RS 기반 - FD-MIMO (Rel-13/14): 2차원 배열(최대 32 포트), 세로 방향 빔포밍, beamformed CSI-RS (Class B)

NR 빔 관련 핵심 개념. QCL Type-D(공간 수신 파라미터 공유) = "이 신호는 저 기준 신호와 같은 수신 빔으로 받아라". TCI state가 PDCCH/PDSCH마다 어떤 기준신호(SSB/CSI-RS)의 빔을 따를지 지정합니다. Rel-17에서 통합 TCI(unified TCI)로 DL/UL 빔 지시가 단순해졌고, Rel-18에서는 다중 TRP용으로 확장되었습니다.

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관련 페이지¶