[사물인터넷] OFDM(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)

무선 통신에서는 송신자가 수신자에게 신호를 보내면 신호가 곧장 수신자에게 도달하지 않습니다.

송신자는 수신자를 찾기 위해 사방으로 신호를 보내며 이 과정에서 신호는 벽에 여러 번 맞고 도달합니다.

신호는 주파수가 낮으면 벽을 통과하기도 하지만 주파수가 높으면 회절 하지 못하여 벽에 막히기도 합니다.

여러개의 경로가 서로 간섭을 일으킴

Multipath Interference의 문제점

물리계층에서는 신호를 단위 시간으로 끊어서 받길 원하는데 Symbol Time 그 단위 시간을 의미합니다.

정상적이라면 단위시간에 맞춰서 하나의 신호가 들어오겠지만 딜레이에 의해 여러 개의 심벌이 섞여 들어옵니다.

이를 Inter-symbol Interefence라고 합니다.

 

이를 막기 위해 단위 시간을 늘려서 심벌이 섞여 들어오더라도 최대한 같은 심벌이 들어오도록 만드는 방법이 제안됩니다.

신호는 덜 겹치지만 같은 시간에 초록색과 보라색 신호가 들어오지 않았다.

심벌의 그림자가 다음 신호와 겹치는 비율이 줄어들었습니다. 

다만, 같은 시간에 들어오는 심벌의 개수가 더 적게 들어오기 때문에 신호의 전송률이 떨어지게 되는 단점이 있습니다.

이런 성능 저하를 막기 위해 하나의 신호 전달자를 여러 개로 나눠서 동시에 병렬로 보내는 방법이 고안됩니다.

이를 Multi Carrier라고 합니다.

 

Multi Carrier의 문제점

주파수 대역을 나눔 Frequency-division Multiplexing으로서 특정 심벌은 특정 주파수만 사용하도록 만듭니다.

대신 멀티 캐리어는 다른 문제점이 생기는데, 아래 그림은 x축이 주파수 축인 그림입니다.(위 그림을 세로로 세운 것)

주파수간 서로 간섭이 생기면 안 되니까 Guard Band만큼의 간격을 둬서 캐리어를 서로 띄워 문제를 방지합니다.

이렇게 되면 비싼 주파수를 Guard Band만큼 버리게 되니 Frequency-division Multiplexing는 적절하지 않아 보입니다.

이 문제점을 보완한 방식이 이번 포스팅의 주제인 Orthogonal Frequency-division Multiplexing입니다.

 

OFDM은 Guard Band를 두지 않고 주파수를 서로 겹치도록 만듭니다.

단, 이 주파수는 서로 다른 주파수와 직교하기 때문에 자신의 주파수 영역에서만 신호의 세기가 큽니다.

예를 들어, 그림에서 파란 주파수는 자신의 영역에서 신호의 세기가 Peak이지만 다른 곳에선 0에 가깝습니다.

 

Cyclic Prefix(CP)

그럼에도 불구하고 심벌은 약간씩 겹칠 수밖에 없는데, 이를 보완하기 위한 것이 Cyclic Prefix입니다.

 

심벌의 딜레이는 거리에 비례하기 때문에 딜레이가 어느 정도 될지 대충 예상할 수 있습니다.

이를 통해, 예상되는 딜레이만큼의 심벌을 앞에 붙여서 신호를 보내는 방식으로 문제를 해결합니다.

 

OFDM의 장단점

짧은 심벌 타임을 갖고 병렬 전송하기 때문에 데이터 전송률이 높고, 위에서 설명한 보완 방법으로 딜레이에 강합니다

또한, 멀티 캐리어를 일부 구간만큼 그룹으로 묶어 한 구역을 특정 유저만이 사용하게 할 수 있습니다.(OFDM-A)

 

많은 보완을 거쳤지만 완벽하지 않은 딜레이 처리와 불필요한 CP가 붙어있는 것은 부정할 수 없습니다.

병렬 구성으로 인해 구현이 어렵고 평균 대비 높은 피크치(Peak-to-Average Power Ratio)에 의해 기지국이 비싸집니다.

 

OFDM-A

OFDM-A는 OFDM를 효율적으로 쓰기 위한 방법으로 제안됐습니다.

OFDM는 유저가 특정 시간에 한 명의 유저만이 주파수 대역을 쓸 수 있습니다.

그러나 그 유저가 딱히 할 일이 없다면 자리만 차지하고 있는 셈이 됩니다.

802.11.ax 전 버전까지 OFDM 사용

 

따라서 용건이 있는 유저들에게만 주파수 일부 대역을 할당하는 방식이 OFDM-A입니다.

이를 이용하면 한 번에 여러 명의 유저가 주파수를 사용할 수 있는 장점이 있습니다.

모바일 기기가 데이터를 수신하는 LTE Downlink에서 OFDM-A를 사용합니다.

 

SC-FDMA

그러나 LTE Uplnik, 즉, 모바일기기가 데이터를 송신할 때는 OFDM-A를 사용할 수 없습니다.

위에서 언급했듯이, OFDM방식은 높은 PAPR를 가진 앰프를 가진 기지국을 사용합니다.

모바일 기기는 이런 앰프를 달수도 없고, 배터리 소모를 고려했을 때도 매우 부적절합니다.

 

이를 보완한 방법이 SC-FDMA(Single Carrier Frequency Division Multiple Access)입니다.

 

OFDM-A는 한 심벌 내에 있는 여러 개의 멀티캐리어가 동시에 전송이 되는 형태입니다.

이런 방법은 데이터 전송량이 많은 저녁 시간에 Peak가 형성이 될 것이고 높은 PAPR의 원인이 됩니다.

SC-FMDA는 혼잡한 시간에도 하나의 시간에 하나의 캐리어만 전송되기 때문에 PAPR이 낮아집니다.

 

QPSK(Quadrature phase-shift keying)는 2bit 신호를 한 심볼에 전송합니다.

신호를 보낼 때, 노이즈의 간섭 등으로 인해 (1,1) 값이 (0.5,0.9)로 위상이 변해도 같은 1 사분면에 속해있기 때문에 송수신할 때 신호가 안정적으로 보내질 수 있는 장점이 있습니다. 하지만 신호를 빠르게 보낸다고 할 수는 없는 방법입니다.

 

신호를 256개로 나눈 256PSK는 신호를 빠르게 보낼 수 있지만 위상 변화에 취약하다는 단점이 있습니다.

 

 

LTE FDD/TDD 프레임 구조

FDD(Frequency Division Duplexing)는 Uplink와 Downlink가 서로 다른 주파수을 사용합니다.

따라서 자신이 원할 때 데이터를 전송할 수 있지만 둘 중 하나의 링크만 끊겨도 통신이 성공적으로 될 수 없습니다.

 

TDD(Time Division Duplexing) Uplink와 Downlink 주파수가 동일합니다. 같은 주파수를 이용하기 때문에 Uplink와 Downlink는 서로 같은 시간에 동시에 주파수를 사용할 수 없으며, Guard Period를 둬서 주파수 간섭을 방지합니다.

 

우리나라는 FDD를 사용하고 있기 때문에 FDD에 대하여 자세히 볼 필요가 있습니다.

 

하나의 프레임은 10ms의 단위시간을 갖고 10개의 서브프레임으로 구성되며 서브프레임은 두개의 슬롯으로 나눠집니다.

거리에 따라 CP의 길이가 달라지고, 그 정도에 따라 보통 6~7개의 심벌이 하나의 슬롯을 구성하게 됩니다.

 

기지국은 주파수를 사용하고자 하는 유저들을 스케쥴링하여 효율적으로 주파수를 할당하게 됩니다.

기지국은 데이터의 송수신 뿐 아니라 추가적으로 채널을 제어하기 위한 관리도 하고있습니다.