[5G] NR MIMO: (1) Antenna Port

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Antenna port는 NR 표준을 공부하면서 헷갈리는 개념 중 하나입니다. 여러 자료를 통해 제가 이해한 대로 정리해보도록 하겠습니다. (잘못된 내용이 있으면 댓글 부탁드립니다.)

 

Antenna Port의 High-level Concept

Antenna port의 개략적인 컨셉을 먼저 알아보면, antenna port는 physical antenna와 구분되는 가상의 logical antenna를 의미합니다. 송신단에서 심볼은 물리 계층의 여러 단계를 거치면서 어떠한 가상의 안테나로 논리적으로 연결되게 되는데 이를 antenna port라고 합니다. 가상의 안테나이기 때문에 실제로 아날로그 신호가 전송되는 것은 아니며, 실제 신호가 전송되는 안테나 소자는 physical antenna라고 구분하여 지칭합니다. 

 

Figure 1. Antenna port에서 physical antenna로의 맵핑

[그림 1]의 (AP 0~3)과 같이 antenna port는 실제로 신호가 출력되는 physical antenna와 1:1로 맵핑될 수도 있으며, 아날로그 빔포밍이 적용된다면 (AP 5)처럼 여러 physical antenna로 맵핑될 수도 있습니다. 이 때 logical antenna와 physical antenna의 맵핑 과정을 spatial filter 또는 beamforming filter를 통과한다고 표현하기도 합니다.

 

Antenna Port의 정의

TS 38.211에 나온 antenna port의 스펙 상의 정의는 다음과 같습니다.

An antenna port is defined such that the channel over which a symbol on the antenna port is conveyed can be inferred from the channel over which another symbol on the same antenna port is conveyed.

 

단번에 이해하기 어렵지만 antenna port에 있어서 가장 핵심적인 부분은 채널 추정(channel estimation)입니다. 간단히 말하면 동일한 채널로 추정될 수 있는 antenna port는 같은 antenna port로 여기겠다는 것입니다.

 

채널 추정이란 전송된 신호가 겪는 무선 채널 $h$를 reference signal을 통해 알아내는 작업입니다. 두 신호가 서로 다른 physical antenna 또는 spatial filter를 통과해 전송된다면 서로 다른 채널을 겪게 될 것이라는 것은 직관적으로 이해하기 쉽습니다.

 

하지만 서로 동일한 spatial filter를 통과한 같은 physical antenna들로 전송되더라도, 채널 추정에 사용되는 reference signal이 다르면 다른 채널로 추정되게 됩니다.

 

Figure 2. Reference signal이 생성되는 위치에 따른 채널 추정 예시

[그림 2]의 한가지 예시를 보면 reference signal은 물리 계층의 서로 다른 단계에서 생성되어 전송될 수 있습니다. DM-RS는 MIMO precoder 이전에 생성되는 반면 CSI-RS는 precoder를 거치지 않고 그 이후에 생성됩니다. 

 

위 예시에서 단말이 수신된 CSI-RS로 채널 추정을 하면 $HX$에 대한 채널을 얻게 되고, DM-RS를 통해 채널 추정을 하면 precoder $W$가 곱해진 $HXW$이라는 다른 채널을 얻게 됩니다. 즉 수신측에 알려져 있지 않는 precoder는 채널과 구분할 수 없으므로 채널의 일부로 합산되어 추정됩니다.

 

따라서 같은 spatial filter와 physical antenna 조합을 통과하더라도 사용하는 reference signal에 따라 채널이 다르게 추정되고 다른 antenna port를 통과한 것으로 파악됩니다. 

 

Table 1. NR antenna port

그렇기 때문에 NR에서는 사용하는 물리 채널과 그에 해당하는 reference signal에 따라 다른 antenna port 시리즈 번호를 할당하며 이를 정리하면 [표 1]과 같습니다. CSI-RS가 MIMO 채널 추정을 위해 물리 계층의 마지막 단계에 생성되므로, 앞서 high-level concept의 antenna port라고 하면 일반적으로 CSI-RS port를 지칭합니다.

 

References

[1] E. Dalman et al., 5G NR The Next Generation Wireless Access Technology, Elsevier, 2018.

[2] M. Kottkamp et al., 5G New Radio: Fundamentals, Procedures, Testing Aspects, Rohde & Schwarz, 2018.

[3] 3GPP TS 38.211, "5G NR: Physical channels and modulation (Release 17)," 2022.

[4] https://www.rfwireless-world.com/Terminology/Antenna-ports-vs-Physical-Antennas.html

[5] https://www.sharetechnote.com/html/Handbook_LTE_AntennaPort.html

[6] https://www.sharetechnote.com/html/5G/5G_CSI_RS_Codebook.html

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