송신기와 수신기에서 다수의 안테나를 사용할 때 송수신기 사이의 무선전송 공간을 프리코딩을 적용하여 여러 개의 분리된 공간, 즉 계층(layer)으로 나누고 각 공간으로 서로 다른 데이터를 동일한 주파수 자원을 사용하여 전송함으로써 전체 전송 속도를 높이는 기술.

데이터를 전송할 때 하나의 회선 또는 전송로를 분할하고, 분할된 자원 하나가 아닌 여러 개를 한 번에 사용하여 전송 속도를 높이는 기술을 다중화(multiplexing)라고 한다. 예를 들어 주파수 자원을 분할하여 여러 개의 채널을 만들고, 여러 개의 채널을 한꺼번에 사용하여 전송 속도를 높이는 기술을 주파수 분할 다중화(FDM: Frequency Division Multiplexing)라고 한다. 마찬가지로 여러 개의 공간을 동시에 사용하여 데이터 전송 속도를 증가시키는 기술은 공간 다중화(SM: Spatial Multiplexing)라고 부르며, 이때 분리된 공간을 ‘계층(layer)’이라고 한다.

통신 시스템에서 송신기와 수신기에 여러 개의 안테나를 사용하여 데이터를 전송할 때 송신기에서 안테나로 전송하기 전에 신호에 프리코딩(precoding)을 적용하면 송신기와 수신기 사이의 공간을 여러 개의 계층으로 분리해 사용할 수 있다. 송신기는 동일한 주파수 자원을 사용하면서 각각의 계층으로 다른 데이터를 수신기로 전송함으로써 종합적으로는 여러 계층의 전송 데이터가 합산되어 전송 속도를 증가시킨다.

송신 안테나 N개, 수신 안테나 M개를 사용할 때의 공간 다중화 기술을 ‘N X M MIMO‘라고 표현한다. 공간 다중화를 적용하기 위해서는 송신기와 수신기 안테나 간의 채널 이득(channel gain)을 행렬로 나타낸 채널 행렬(channel matrix)의 랭크(rank)가 2 이상이어야 한다. 이 채널 행렬의 랭크가 공간 다중화에서 공간, 즉 레이어의 수가 되기 때문이다. 채널 행렬의 랭크가 높기 위해서는 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 물리적인 채널에 반사나 산란이 풍부해서 각 전달 경로의 채널 이득 값이 서로 상관성이 낮아야 한다. ‘N X M MIMO’의 경우 채널 행렬 랭크의 최댓값은 N과 M의 최솟값이 되고, 이 경우 생성될 수 있는 레이어 수의 최댓값이 된다. ‘N X M MIMO’의 이론적인 최대 전송 속도인 채널 용량(channel capacity)은 다중 안테나를 사용하지 않는 경우에 비해 최대 레이어 수인 N과 M의 최솟값 배로 증가한다. 즉, ‘2 X 4 MIMO’를 사용하는 경우 채널 용량은 2배 증가한다.

또한 공간 다중화를 적용하기 위해서는 채널 상태가 매우 좋아야 한다. 다시 말해서 원하는 수신 신호의 세기가 잡음이나 간섭 신호의 세기보다 훨씬 커야 한다. 일반적으로 기지국 근처에 있는 단말은 채널 상태가 좋은 편이고, 셀 경계 지역에 있는 단말은 원하는 수신 신호가 약하고 인접한 셀로부터 강한 간섭을 받기 때문에 채널 상태가 좋지 않다. 공간 다중화 기술이라고 하면 다중 입력 다중 출력(MIMO) 기술을 의미할 때가 많다. MIMO의 대표적인 기술이 공간 다중화이고 ‘N X M MIMO’로 표현되기 때문이다.