[LTE] Technical Overview

LTE 표준은 rel 8 -10

MIMO 다중 레이어 전송 multiple input multiple output다수의 안테나를 사용하여 각 안테나에서 별도의 데이터 전송, 대역폭의 증가 없이 전송 속도를 높일 수 있는 유용한 기술시스템 최대 전송 속도 향상!

benefits of all ip NW (all-ip 망 : IP를 기반으로 서로 다른 망이 통합된 구조
Lower cost
다른 밴더들과의 호환성
Voice, data, traffic requirements 간의 유연성
오픈 인터페이스 (유지보수 측면

추가적인 LTE 이점
Many frequency 커버 
밴드 여러개를 쓸 수 있고, 더 넓은 대역폭 커버 가능하니까 당연히 경제적으로도 이득이고 로밍 등도 쉬워짐

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OFDM이란 데이터 전송할 때 아주 가깝게 쪼개진 subcarriers와 수많은 narrowband (부반송파보다 작음)을 이용해서 주파수 쪼개는 방식 
서로 직교하는 섭캐리어들을 동시에 전송함. 
DL – ODFMA
UL – SC-FDMA 쓴다 => 둘다 OFDM 기반
OFDM에서 서브캐리어 사이의 주파수가 좁은데, 직교성이 존재하여 이 직교성을 통해 신호 간 상호 간섭을 제거할 수 있다
그래서 부 반송파가 overlap됨  FDM보다 스펙트럼을 좀 효율적으로 쓸 수 있음 (서브캐리어 간 가드밴드 제거, 수신기 필터 안 필요함)

Carrier spacing을 활용 /SUS
+ OFDM에서는 단일 데이터 스트림을 여러 부반송파에 걸쳐 병렬로 할당하여 높은 데이터 속도를 달성한다.
심볼이 병렬 형식으로 누워있음
즉 OFDM은 고속 데이터를 저속 데이터로 병렬 전송하여 결론적으로 전체 속도 높아짐

시간과 주파수 영역의 2차원 자원을 활용해서 각 사용자의 채널 환경과 QoS 고려한 스케줄링 수행

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IFFT와 FFT가 뭔가
OFDM의 변/복조를 수행 == 데이터 스트림을 병렬로 할당하기 위해 씀
부반송파(섭캐리어) 생성하고 할당하는 역할


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맨 위 오른쪽 그림에서
색이 다름 = 반송파가 서로 다름 

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FDMA  주파수
TDMA 타임
시간과 주파수 영역에서 사용자별로 주파수를 할당해서 = FDMA
--> 주파수는 제한적이고, 주파수 간섭 때문에 이격대역이 필요하다 = 낭비
TDMA = 시간과 주파수 영역에서 사용자별로 시간을 할당
중간중간에 남는 것 =낭비
CDMA = 시간, 주파수 공간에서 모든걸 활용하며 사용자에게 코드 할당 = 영역 사용
용량 측면에서 훨씬 증가 


** OFDM
+ access (=OFDMA)
 
OFDM = 큰 용량의 데이터를 보낼 때 잘게 잘라서(slicing) cpu를 병렬로 여러 개 써서 (낮은 cpu) 한번에 보내는 것
즉 cpu는 낮지만 큰 용량을 빠르게 보낼 수 있음
반송파는 다 다르게 해야 함 = 구현 복잡도가 비쌈. 원래 processing 비용이 너무 비쌌고 필요한 자원이 너무 많았음
4g 오면서 디지털 신호처리 비용이 많이 감소되어 OFDMA가 채택된 것
= FFT의 이용이 용이해짐 
여러 개의 반송파를 나눠서 보낸다고 할 때 
부반송파 = sub-carrier 
반송파 전송에도 룰이 있음 / 간격과 규칙 



OFDM = single user
OFDMA – multiple users (on same subframe)
나중에 이어서 설명하겟음

 

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신호의 rectangular pulse = symbol duration 
Time domain <-> frequency domain


섭캐리어는 주파수 도메인에서의 단위이고 symbol은 시간 도메인에서의 단위임
이 두 자원으로 이루어진 게 resource element
주파수영역과 시간 영역이 상호 호환 되려면 푸리에 변환이 필요

SUS => 캐리어와 캐리어 간의 간격 = 1개의 subcarrier의 길이
SCS는 부반송파간 직교성을 유지하기 위한 부반송파간 간격
Doppler spread가 발생 - SCS 간격 흔들리면 - 부반송파간 직교성 깨짐, interference 발생
LTE에선 15khz로 고정되어 있다 = 일정함. NR에서는 다양함

호 매핑 시 델타f만큼(sub carrier spacing) 
반송파 간의 간격이 생김
==> 이러한 규칙을 가져야만 서로 직교하고, 서로에게 간섭이 없음을 보장함 
규칙을 통해 서로 중첩, 겹쳐서 사용해도 간섭 없음

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심볼은 특정 시간 안의 파형. 
LTE 시스템은 시간적으로 일정한 포맷을 가지고 정보를 전송한다 = 스케줄링
LTE 시스템 속 최상위 시간 블록 = 프레임 / 최소 단위 = 심볼
(프레임 전송 시간 : 10ms)
각 프레임은 SFN(System Frame Number)로 식별 => 여러 프레임을 이용하는 페이징 및 채널 상태 보고 주기 등을 제어할 때 이용
 
1개의 프레임 = 10개의 서브프레임
1개의 서브프레임 전송 시간 1ms
1개의 서브프레임 = 2개의 슬롯 = 14개 심볼
1 슬롯 = 7개 심볼

여기서!! 이 심볼듀레이션과 서브캐리어 스페이싱은 반비례 관계. 
왜? 심볼은 특정 시간 안의 파형이니까 주파수 늘어나면 심볼 크기는 당근 작아짐. 그림참고


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1 TTI = 1ms = 1 서브프레임 = 1 리소스 블록 페어 = 2 슬롯
1 리소스 블록 = 12 서브캐리어 = 180kHz = 스케줄링 최소 단위

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참고) NR SCS 
LTE는 최대 대역폭이 한정되어 단일 부 반송파 간격 사용이 가능
NR은 다양한 채널 대역폭 지원 필요, 하나의 부 반송파 간격을 지원하기에는 FFT 처리 복잡도가 증가하여 효율성 저하
--> 주파수 대역별로 사용하는 최적의 SCS를 다르게 적용
 
SCS 작아지면 latency 증가, delay spread 내성 강하고
셀 반경이 넓어진다
기지국 띄엄띄엄 박아도 된다

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OFDMA와 OFDM의 차이
OFDM은 하나의 서브프레임에 하나의 유저. /single user = 

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OFDM은 많은 저속 섭캐리어를 통해 빠른 data stream을 보낸다. /CDMA와 같은 단일 캐리어 방식은 필요한 사용자 data rate만큼 전송 symbol rate가 증가함/ OFDM은 필요한 데이터 속도가 증가하면, 심볼 관격은 훨씬 짧아짐. 심볼간 간격은 중요한 성능 문제임.   이는 다중 경로 페이딩에 대해 굉장히 견고해지게 됨. 

다중경로 페이딩이란 뭔가 = short-term fading
여러 신. 연속/비연속적으로 이 전송 시그널이 섞이면서 간섭 발생
ISI 발생 가능. Delay spread 신호/반사파 성질/에 의해 심볼 앞부분이 그 앞의 심볼과 호가 각기 다른 시간에 하나의 수신자에게 도착함겹치는 현상
ISI = Inter symbol interference
원래 그 전 세대에서도 equalizer 사용하긴 했음. (하나의 강한 signal로 묶어버리는거) 그러나 환경이 복잡해지고 고속 데이터 전송 필요해지며 성능 저하/비용절감요구됨 
어떻게 ISI 없앨까

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다중경로만 없어도 간섭은 발생하지 않을거임. 그러나 아까 말했듯 반송파/delayed paths overlapping 때문에 직교성이 손상됨. 그래서 CP (cyclic prefix) 쓰는거임. 모든 심볼의 후반부 (tail)을 카피해서 OFDM 심볼 앞에 넣어서 겹쳐도 상관 없게 만듦. 
이 CP = Guard Interval임. Guard interval이라는 개념을 달성하는 구성요소가 바로 CP
CP 넣으면 전체 심볼의 시간이 들어남. (넣은 CP만큼) 만약 겹쳐도 이 Cp만큼만 겹쳐서 guard time 내에서 간섭 사라짐. 
이 CP의 길이도 장단점이 있음. 채널 분산 특성과 전력 효율을 고려해야 함. 길면 효율성이 줄지만 더 넓은 범위의 지연을 커버할 수 있고=반사파에 강해지고 심볼에너지 감소되어 잡음 내성 감소, 짧을수록 반사파에 의해신호가 왜곡될 확률 있음 = 반사파에 취약, 잡음 내성 증가


* 결론
OFDM은 주파수를 분리하는 다중 협대역 반송파이자 심볼의 역과 같고, SCS (서브캐리어 간격)과 심볼 주기 설정이 중요함. 직교성이 잘 보전되어 서브캐리어 간 간섭이 최소화되어야 하고, 반송파가 ISI를 초래하므로 CP를 통해 overhead를 최대한 줄여야 함


** 단점. High PAPR (challenge)
이게 뭔가. 다음장에.

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PAPR = Peak-to-average-power ratio 
평균에 비해 신호 폭이 너무 큰거
각 서브캐리어가 독립적으로 변조되다가 중첩되면서 신호 진폭이 증가함
DL에서는 크게 영향을 주지 않지만 UL에서 매우 낮은 효율을 보임 / 디바이스 효율성이 매우 중요
=단말기에서는 ofdma 안쓰고 sc-fdma 씀!!!
(기지국은 papr을 작게 만드는 게 쉬우나, 이동국은 고려해야 할 사항이 많아서 papr을 맞추기 힘듦)
SC-FDMA를 통해 PAPR 낮출 수 있음. 
단일 반송파 시스템과 보다 비슷한 특성 갖출 수 있음. (단말 Amp.의 부담 해소 및 단말 전력소모 절감)피크 대 평균 전력의 변동을 더 작게 하기 위해 DFT 삽입
DFT = Discrete Fourier Transform / 이산 푸리에 변환
DFT 통해 하나의 심볼 정보가 모든 섭캐리어에 고르게 퍼져서 전력의 변동폭이 작아짐. 

차이가 클수록 커버해야 하는 GI 증가
CP overhead = t-put 감소
+ 셀 엣지에서 직교성 약해짐. 간섭 -> 성능 저하 초래

SC-FDMA는 하나의 심볼 정보가 할당된 모든 부 반송파에 고르게 퍼짐. 그러니까 각 섭캐리어에 모든 심볼의 정보를 나누어가짐.(multi user) 원래는 하나의 섭캐리어에 하나의 심볼만 (single user)

 

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참고 5G에서의 PAPR이 증가하는 이유. 
왜 주파수가 낮으면 (=sub6 대역에서는) PAPR이 과도하게 증가할 수 있는가??

주파수가 낮으면 = 커버리지가 크다
(반대: 주파수가 높으면 커버리지가 낮음 – mmW는 주파수가 높음)

커버리지가 크면 가장 빠른 값과 가장 늦은 값의 시간 차이가 커서 딜레이가 커짐
(fading 때문에)
최대 4배 이상의 Guard Interval 시간을 확보해야 함. // CP임. 어쨋든 그 차이가 커지니까 잠재적인 차이까지 고려해야 함
커버리지 클수록 GI가 커짐

GI는 여유공간임. 데이터는 심볼듀레이션 = 심볼에 들어감
그러므로 GI보다 커야함. GI 비율대로 커지는 것
심볼 듀레이션이 커짐

주파수는 t=1/f
=> 시간과 반비례
이유: 심볼듀레이션과 서브캐리어 스페이싱은 반비례 관계 (t는 time f는 frequency니까 t는 심볼 f는 서브캐리어)
==> 심볼듀레이션 커지니까 서브캐리어 스페이싱 작아짐
(커버리지 길면 소요시간 커지고 주파수 작아지니까 당연히 서브캐리어 간격도 작아짐)

간격 잡아지면 빽빽해질수록 PAPR이 증가하게 되는 것임

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각 대역폭별로 parameter 계산하는 방법
예시로 5MHz 계산해보기

10% available bandwidth = 5*0.9 = 4.5
SCS = bandwidth를 캐리어 개수로 쪼개는거 – 15khz 간격으로 쪼갬
4.5MHz = 4500 KHz 
4500/15 = 300
3. Symbol duration은 SCS의 역수 = 1/15  근데 푸리에 변환 해야 함. 
66.67 (LTE에서 SCS는 15KHz로 고정이기 때문에 useable symbol duration 값도 고정
4. Total symbol duration = original symbol + CP (Guard Interval) = 66.67+4.69 = 71.36

5. 최대 데이터 전송 속도를 계산할 때는 주파수 스펙트럼 크기, MIMO 레이어 개수, 변조 방식이 영향을 미침.
여기서는 다른 거 고려 안하고 대역폭(캐리어수)+변조방식(비트레이트)만 고려 
특히 Modulation type에 따라 비트 레이트 달라짐. (Number of bits per symbol)- 16QAM = 4
64 QAM = 6 
256 QAM = 8
64QAM이므로 bit rate 6
LTE 1개의 서브프레임 = 14개의 심볼
LTE의 최소 스케줄링 단위는 서브프레임이므로 (1 TTI = 1ms = 1 서브프레임)
6*14 = 84 비트 전송 (=최소 스케줄링 단위에서의 비트수 ) * 비트레이트가 한 심볼 당 들어가는 비트 수니까
비트 수는 84 Kbps
전체 캐리어 수는 300 이므로, 84 * 300 = 25200 kbps = 25.2Mbps= 전체 캐리어 수로 전송 가능한 비트 수

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MIMO = 다중 안테나 기술

통신 시스템에서 여러 개의 송신기/수신기 안테나와 신호처리 기술을 결합 = 전송 품질 향상

빔포밍은 MIMO의 한 종류

효과

1.사용자 당 최고 데이터 속도 증가 (방금 전 데이터 최고 속도 증가하는 계산할 때 MIMO 기술 적용되면 몇 배로 불릴 수 있음)

2.셀의 전체 용량, 커버리지 증가

●

넓은 의미의 MIMO는 다수의 송/수신 안테나 사용하여 시스템 성능 향상시키는 모든 기술

좁은 의미는 최대 전송 속도를 안테나 개수에 선형적으로 비례하여 증가시키는 기술

(= 공간 다중화 기술)

그렇다. MIMO는 엄청 큰 개념이다.

MIMO에서 송/수신 안테나를 통해 N*M개의 signal paths를 갖고, 이 모든 시그널은 동일한 신호가 아님

(위상, 진폭, 파형 다 다름)

일단 tx (보낼 때) 에서 데이터 시그널은 서로 다른 안테나에서 온 서로 다른 신호를 가져오고, RX (받을 때)는 이 각기 다른 신호들을 채널 페이딩의 차이에 의해 또 다르게 받는다

MIMO에서 이 보내고/받는 신호가 combine됨. 다 쓴다는 거

그래서 퀄리티나 속도가 SISO나 SIMO보다 당근 좋음.

 

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MIMO는 “다중 경로＂에서 – 시공간 다양성을 활용하여 “다중 병렬 데이터 전송 파이프“ 생성한다

àQ. OFDM과 같은 맥락인가? Time/frequency 활용하여 – 병렬적인 데이터 전송을 하는 // 파이프를 여러개. ?

** MIMO에서의 rank 개념 =current Tx/Rx stream capability (단말 기준)

그니까 데이터 용량?

Rank1 = 한개의 possible stream에서 1개의 high SINR 가짐

Rank2 = 2개의 stream에서 high SINR

Rank3 = 3개 ….

Rank 4면 기지국은 이 단말이 4개의 스트림을 전송해도 됨을 알고, 모든 4개를 다 받게 될 것이다

위의 그림은 그런 파이프가 2개 있는거 = rank 2

아까 말했듯이 데이터 파이프는 디지털 시그널을 N*M개의 다중 경로에서 combine 한다. (single path와 대응하지 않는다는 것. 같을 수가 없음. 달라짐 variation) // 파이프마다도 서로 다름

이 전송 파이프는 시공간에서 직교성을 띄고, 서로에게 살짝 간섭함.

è 일단 파이프마다 다를 수 있는 이유는 이 간섭이 있기 때문,

(간섭을 덜 받는 strong pipe 존재 – 얘가 high rate data stream 담당하고 간섭 많이 받는 pipe가 lower data stream 담당

그래서 아래와 같은 말이 가능한 거임

Tx rx 안테나 개수에 의해 MIMO rank가 제한된다. 또 채널 컨디션도 여기에 영향 미침

** 그니까 MIMO를 하면 데이터 속도를 더 빠르게 할 수 있고 퀄리티도 좋아지는데!! 원리가 뭐냐!!

계속 말했듯이 데이터 파이프는 다 다름. 안테나들은 서로 다른 공간 특성을 갖기 때문. 그리고 서로 간섭이 있어서 서로 다른 페이딩을 겪고 다른 신호로 수신됨.

안테나가 2개가 있다 치면, 이 2개는 동일 시간에, 동일 주파수, 동일 코드를 쓴다. 근데 이제 공간상으로 떨어져 있기 때문에 중간에 산란체들의 영향을 받아 달라지게 되는거임. 수신단에서 달라지는거

근데 이제 같은 신호를 보낸 거기 때문에 수신단에서 달라진 신호를 원래의 신호로 복원가능하면, 이 안테나 개수만큼 속도를 올릴 수 있다는 개념.

이 밑에 빨간 네모 보면

Y = 전송한거 수신받아서 마지막으로 사용할 신호임

근데 이제 h가 실제로 받은 신호. 그래서 이 수식처럼 비상관특성을 활용하여 원래 의 신호로 복원해서 마지막으로 사용할 신호를 키우는 거.

상관도가 낮을수록 용량이 올라가기 때문에! 다중경로 fading이나 scattering이 꼭 필요해짐!! 직진파가 좋아보이지만 MIMO에서는 아닌 거다.

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다중경로가 많은 채널에서는 full rank MIMO 시스템 구축 가능

하지만 LOS 채널은 rank 1로 될 수도

(* LOS 채널은? 가시거리 직진파. 그냥 전파 한방향)

Full rank MIMO의 경우,rank는  tx & rx 안테나의 최소 개수와 같음.

-> 그니까 실제로 안테나가 4개 있다하더라도 채널 컨디션 별로면/너무 직진파밖에 없고.. 그러면/ 안테나 개수와 상관없이 더 적게 나오나 그런거 없으면 안테나 전체 개수 따라간다는 것

(For a full-rank MIMO system, the rank equals the minimum of the number of transmit and receive antennas.)

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어쨌든 가장 강한 전력을 가진 파이프가 존재하고, 효율적으로 데이터를 전송하기 위해 단말 전력을 가장 센 파이프에 집중하면 array gain을 얻을 수 있음 (빔포밍 떄)

만약 상태가 다 좋고, 파이프도 다 세면 모든 파이프에서 다중 데이터 전송이 가능한데 이걸 multiplexing gain이라고 함. Spatial multiplexing gain 이라고도 함 /power divided / increase overall tput

그러니까!! MIMO는 크게 두가지 상황으로 나눌 수 있는거임

채널 상태 좋을떄와 나쁠때

좋을 때는 spatial multiplexing, 나쁠 때는 빔포밍임

이 둘이 아닌 상황도 많이 존재함~ 그 떄마다 얻을 수 있는 gain이 다름

 

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채널 컨디션이 안좋으면 : 빔포밍
(beamforming gain = antenna array gain)
모든 transmission power를 가장 센 파이프에 넘겨서 receive가 더 많은 데이터를 받을 수 있도록
Increase the signal SNR (&커버리지 키움) << array gain
빔포밍은 MIMO 시스템이 송신기는 정확한 방향으로 신호 집중시키고, 수신기는 수신된 신호를 일관성 있게 결합시킴 = 그래서 평균 SNR 증가되는 거. 일관성은 “wireless channel knowledge”가 있어야 달성 가능한데, 
이는 Precoding이라는 방법을 통해 가능함. 채널을 이미 알아서(receive가 channel information feedbac을 받으면서 알게 됨) 이 precoding을 결정함. 

타겟의 단말 방향으로 빔을 형성하여 수신 SNR 업 // TDD는 상/하향 동일 주파수를 사용하기 때문에 채널 상태를 더 쉽게 파악할 수 있고 ~ 그래서 더 좋은 성능 얻을 수 있음

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2. 채널 컨디션이 좋으면 : spatial multiplexing // 공간 다중화 
여러 개의 data pipe를 써서 << 이 부분이 빔포밍과 다름
독립적으로 데이터를 전송하여 tput을 높인다 – 송신 안테나 개수에 비례해서 전송 속도를 향상 == 좁은 의미의 MIMO
전력은 데이터 파이프라인 모두가 공유해서 쓰고 
Each data pipe는 각각 유니크한 precoding을 요구함, 송/수신단 안테나도 여러개여야 함
전송단 채널에 대한 정보는 필요하지만 (precoding 필요하니까) 추가적인 spectral bandwidth나 power는 필요하지 않음. 
채널 컨디션이 좋을때는 하나의 안테나에 모든 전력을 집중하는 것보다 직교하는 여러 개의 독립적인 파이프에 파워를 배분하는 게 효율적임 (다 신호 좋으니까..) 동시에 데이터가 왔다 갔다 하기 때문에 모든 전력은 분산되고 그렇기에 SNR (신호 대 잡음) 또한 분산되고, 그래서 총 SNR도 작어짐. << 전체 SNR을 나눠 가져서

** SNR이 높을 수록 tput이 높아짐
 Snr 작아지면.. Tput 작아지므로, (우리의 목표는 tput을 높이는 것이니까) spatial Multiplexing 이득은 high SNR지역에서 달성된다는 것. 왜냐 snr 낮아지면 어차피 나눠가지는 snr이 넘 낮아져버려서.

 

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SNR = 신호대 잡음비
(SINR 신호대 잡음 + 간섭)
SNR 높을수록 tput 높아짐. 그러므로 SNR 높을수록 좋음

MIMO는 세 개로 나뉜다. 빔포밍, spatial multiplexing, diversity
Receive diversity = 다중 수신 안테나 기술 – 기지국에서
Fading이 심할 때 1. SC = 복수개의 안테나로 들어온 신호 중 제일 좋은 신호 선택
2. MRC = 복수개의 안테나로 들어온 신호들의 SNR이 최대가 되도록 가중치를 조정
// Tx diversity = 다중 송신 안테나 기술 – 단말기에서
(기지국보다 실현하기 어려움…)
하나의 수신 안테나를 가진 DL에 다중 송신하여, 하나의 수신 안테나에서도 비슷한 효과

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빔포밍은 antenna array gain 자체를 최대화하고자 하고
Spatial multiflexing은 다중경로를 통해 multiplexing gain 최대화하고자 함
목적 자체가 다르므로 송신단, 수신단의 signal processing 자체가 달라짐 (그래서 둘 다 동시에 얻기 어려움
SISO나 SIMO보다 더 나은 gain을 얻기 위해 전반적인 상황을 잘 살펴야 함

앞서 계속 말했듯 
Spatial multiplexing gain은 SNR이 이미 높을 때 높고 
SNR이 낮으면 간섭이 높으니까 안됨
그러나 SNR 낮을 때는, 그 SNR을 개선하는 과정에서 tput을 높일 수 있으니까 (high SNR 환경에서는 변조에서의 리밋이 있어 tput이 잘 안 올라감) 그래서 빔포밍이 나음

-- 이 MIMO에도 또 종류가 있는데
SU / MU라고 해서 user 몇 명에게 전송하는지에 따라 달라지고
(하나에 전송하면 한 단말기의 최대 속도 증가하고, 여러 유저에게 전송하면 단말기 속도보다는 기지국이 운용 가능한 셀의 용량이 증가함

빔 타입에 따라도 달라짐
Common beam = 넓은 영역
Unicast = 특정 UE의 위치를 향해