Multiple Access(다중 접속)란? - (2) OFDM, OFDMA

실시간 스트리밍, 고화질의 영상은 데이터의 크기가 3G 때보다 훨씬 크고, 따라서 이 데이터를 처리하기 위해서는 더 넓은 대역폭이 필요하다. 하지만, 전파는 공기라는 하나의 매질을 통해서 전달되기 때문에, 주변에 같이 존재하는 단말기들의 전파에 의해 간섭이 발생한다. 또한 건물이나 산 등의 장애물에 부딪히게 되면 반사되거나 회절 하게 되고, BS(Base station, 기지국)에서는 원래 신호+회절 된 신호+반사된 신호가 하나로 합쳐진 신호를 수신하게 된다. 심할 경우는 신호 데이터를 분석하기가 어려워지고, 대역폭이 커질수록 더욱 심각해진다. 3G에서 4G로 넘어오면서는 동영상 시청에 대한 수요 증가에 따라 데이터의 양이 커졌고, 더 넓은 대역폭이 필요하게 되었다. 즉, 3G에서 채택한 WCDMA의 문제점이 나타나게 되었고, 4G부터는 OFDM이 등장하였다. 

 

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 이란?

OFDM이란 서로 Orthogonal한 관계에 있는(= 서로 아무런 영향을 미치지 않는) 여러 개의 Subcarrier(부반송파)를 사용하여 블록단위로 나누어진 데이터를 여러 개의 Orthogonal Subcarrier에 실어서 병렬로 전송하는 기술이다. OFDM의 경우도 CDMA처럼 군사용으로 이미 사용되면 기술이었지만, 상용화 하기에는 역부족이었다. 위에서 언급했듯이, 모든 데이터를 전 대역폭에 실어서 보내면 반드시 변형이 발생한다. 그렇기 때문에 블록단위로 나눈 데이터를 Subcarrier에 실어서 송신한다면, 몇 개의 블록이 변형이 발생한다고 해서 데이터 분석에 큰 어려움이 생기지는 않는다. 

 

Subcarrier의 개념으로 인해, FDM(Frequency Division Multiplexing)과 같은 기술으로 생각할 수 있다. FDM은 인접 Subcarrier끼리 간섭(ISI, Inter Symbol Interference)이 발생하기 때문에 보호대역(Guard band)이 필요하지만, OFDM의 경우는 Orthogonal 한 성질로 인해 보호대역이 필요 없다. 오히려 Subcarrier 대역끼리 겹쳐서 사용하기 때문에 스펙트럼 효율을 최대로 올릴 수 있다. 물론, OFDM에서도 간섭이 심할 경우는 보호구간(Guard Interval)을 Subcarrier들 사이에 두어서 해결한다. 

 

Orthogonal란 Subcarrier들을 주파수 도메인에서 파형을 확인해보면 각 Subcarrier의 peak 값에서는 자신을 제외하고 전부 0의 값을 가진다. 결국, 수신단에서 peak일때 신호를 수신하면 다른 신호는 0이기 때문에, 간섭이 발생하지 않는다. 이로 인해 OFDM은 FDM과 달리 Guard band가 불필요하다. 

 

OFDM(Orthogonal Frequency)

OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)와 OFDM 문제점

완벽해보이는 OFDM에도 PAPR(Peak to Average Power Ratio, 최대 전력 대 평균 전력비)의 약점이 존재한다. PAPR은 신호의 peak 전력 값과 평균 전력 값의 비율을 의미하는데, 평균 대비 Peak 값이 얼마나 큰지를 나타낸다. OFDM 신호는 독립적인 Subcarrier들로 구성되어 있기 때문에, 예상치 못한 높은 peak 값이 출력된다. 데이터 송수신을 위한 전력 세팅은 peak값에 맞추어 세팅이 되기 때문에 PAPR이 크면, 비효율적인 전력 소모량이 증가하게 된다.

 

OFDMA는 User들이 OFDM보다 더욱 Flexible하게 주파수 자원을 나눠서 필요한 만큼만 사용하는 기술이다. 4G에서는 Downlink에서 OFDMA를 사용하였지만, Uplink에서는 높은 PAPR 문제로 인해 OFDMA를 활용할 수 없었다. 기지국 입장에서는 높은 PAPR로 인해 전력 소모가 커도 큰 문제가 되지 않지만, UE에서는 배터리 소모가 증가하기 때문에 비효율적이다. 이런 이유로 Uplink에서는 여러 캐리어를 합쳐서 하나의 주파수처럼 사용하는 방법인 SC-FDMA(Single-Carrier FDMA)를 채택하였다.

 

• Downlink : BS(Base Station, 기지국)에서 UE(User Equipment)로의 통신, 데이터 다운로드 
• Uplink :  UE(User Equipment)에서 BS(Base Station, 기지국)로의 통신, 데이터 업로드

 

 

OFDM과 OFDMA의 차이

 

 

 

• FDMA, TDMA, CDMA에 대한 정보가 추가로 궁금하다면?

2022.09.20 - [분류 전체보기] - Multiple Access(다중 접속)란? - (1) FDMA, TDMA, CDMA