[최신모바일기술 #01] Multiple Access for 4G and 5G

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OFDM

• OFDMA의 기반이 되는 기술로, 데이터를 orthogonal한 sub-carrier들을 사용해 병렬 형태로 전송된다.
• FDM과 다르게 Multi carrier System이고, guard band도 필요 없다.
• 각 sub-carrier들이 겹쳐져있는것 같지만, 서로 다른 차원에 있어 완벽 분리(Orthogonal) 돼있다.
  • 벡터로 생각해보면, 두 벡터가 수직이라 내적값이 0이라 연관이 없게 설정되어있다.

 

OFDM Modulator and Demodulator

 

OFDM은 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)과 FFT(Fast Fourier Transform)을 사용해 구현하는데, Modulator에 IFFT를, Demodulator에 FFT를 이용한다. 푸리에 변환을 활용하여 OFDM을 보다 낮은 비용과 복잡도로 구현할 수 있게 됐다. 이때 FFT의 입력 크기 M은 반드시 subcarrier 수인 N보다 크게 설정해야만 한다.

 

그래서 Modulator 그림을 살펴보면, 입력의 원본 메세지 속 subcarrier가 N개 (a_0~a_n-1) 들어오면 다음 IFFT의 입력에 M-N개 만큼 0값을 추가하여 넣어준다. 또한 이때 사이즈 M은 반드시 2의 제곱 꼴로 LTE에서는 2의 10~11제곱, 5G에서는 2의 12제곱을 보통 사이즈로 정한다.

 

Cyclie Prefic Concept

 

또한 OFDM은 CP(Cyclic Prefix)를 이용하여 ISI(Inter Symbol Interference)를 감소시켜준다.

• Guard Interval이라고도 하며, IFFT 처리를 한 sub-carrier 사이에 일종의 데이터 조각을 붙인다.
• 이전 심볼과의 ISI를 제거하면서 Orthogonal을 유지 가능하게 하는 방법이다.
• CP의 길이는 반드시 multipath delay speread보다 커야 한다.
• 그러나 요구되는 power가 높고 throughput을 감소시킬 수 있다.
• 그래도 이 단점에 비해 얻는 이득이 훨씬 많아 사용한다.
• CP-OFDM이 현재 사용하는 통신 시스템에 적용된 방법이다.

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Orthogonal Frequency Division Multiple Access

OFDMA

• OFDM을 기반으로 한 multiple access 기술로 현재 LTE, 5G에서 사용 중이다.
• 전체 Sub-Carriers의 Spectrum이 Time 도메인에서 하나의 Symbol에 모두 포함한 형태이다.
• Symbol 사이에는 ISI를 피하기 위한 Guard Intervals(CP)가 존재한다.
• 각 유저의 채널 Condition과 서비스 퀄리티(QoS)를 고려하여 Scheduling한다.
• 이런 방식으로 모든 유저가 같은 채널, 시간에 동시 접속이 가능하고 높은 Data Rate를 보여준다.

Resource Block

 

Resource Block(RB) : 리소스 할당의 최소 단위, 주파수와 시간 도메인을 아래 규격에 맞춰 쪼개 1 slot을 만든다.

• Time domain : 0.5ms (7 OFDM symbols)
• Frequency domain : 180kHz (12 subcarriers, 12*15 kHz)

이런 식으로 쪼개진 frequency 리소스를 유저 별로 할당이 가능한데, 이를 frequency diversity라 한다.

• 채널 정보가 좋거나 확실하면 유저 각각의 최상 전송상태를 파악하여 전송하는 multi-user diversity를 사용하여 high channel gain이 가능하다.
• 그러나 채널이 빠르게 변화하는 상황이거나 정보가 별로 없으면 channel gain 한번의 리스크가 크다.
• 따라서 이런식으로 freqency를 분산해서 할당하는 방법이 burst error를 방지하는데 도움이 된다.

또한 실제로는 Time domain을 0.5가 아닌 1ms 할당이 최소치로 정해져있는데, RB는 0.5ms이므로 2개의 RB(1ms)를 붙여 2 slot으로 사용한다. 이를 RB pair, TTI(Transmit Time Interval), subframe, 혹은 scheduling period라고 불린다.

RB in LTE and 5G(NR)

 

LTE와 5G를 비교해보자면, 둘다 한 RB의 Frequency domain은 12 subcarriers로 고정되어 있지만 Time domain은 다르다. LTE는 사전에 Time domain을 정의하지만, 5G는 정의하지 않아 고정 domain이 아닌 상황에 따라 계속 바뀐다. 다시 말해 5G는 OFDM 심볼의 수가 유동적이다.

• 5G는 12*30 kHz를 많이 사용하는데, 이런 경우 OFDM 심볼은 보통 1 slot에 14개를 사용한다.

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OFDMA  Advantages

• Scalable data rate : Data rate를 손쉽게 조절할 수 있다.
• CDMA에 비해 간단한 Channel Equalizer 사용이 가능하다.
• CP(Cyclic Prefix)를 사용하기에 multipath fading(ISI)에 강하다.
• Channel information에 따라 동적으로 resource를 할당할 수 있다.

OFDMA  Disadvantages

• High PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) : PAPR은 P_peak / P_avg로 정의

OFDM에서 각 subcarrier들은 독립적으로 modulate되고 이후 모든 subcarrier들이 합쳐지는데, 이때 우연히 특정 신호들의 위상이 겹치면 peek값이 중첩되어 매우 높은 peek power를 갖게 되는데 이를 High PAPR이라고 한다.
High PAPR일 땐 Amplifer에 많은 전력이 요구되고 열이 발생하여 그만큼 비용이 증가한다. 기지국은 일반적으로 전력 공급에 대한 제약이 덜하기 때문에 High PAPR값 처리가 가능하다. 따라서 기지국에서 단말기로 전송하는 downlink 상황에서는 문제가 없지만 단말기에서 기지국으로 전송하는 uplink 상황에서가 문제이다.

• Sensitive한 Frequency offset과 Clock offset : 조금만 높아져도 Orthogonal이 손실되어 ISI가 증가
• Guard interval이 필요 : CP를 사용해서 생기는 단점이지만, 단점에 비해 얻는 이득이 훨씬 많다.

Compare with CDMA and OFDM

CDMA vs OFDMA

 

위 표는 CDMA와 OFDM을 비교한 것인데, 이를 해석해 보자면

• CDMA는 데이터 전송 시 사용 가능한 모든 주파수 대역폭을 사용하지만 OFDMA는 가변적으로 사용
• CDMA의 심볼 주기는 매우 짧지만 OFDMA는 매우 길다.

CDMA의 심볼주기는 넓은 system bandwidth에 반비례하고,
OFDMA는 심볼주기가 SCS에 의해 정의되고 system bandwidth에 독립적이기 때문이다.

• CDMA는 Orthogonal Spreading Code로 유저를 분리하지만, OFDMA는 주파수와 시간을 기반으로 분리한다.

OFDM vs OFDMA

 

위 그래프는 OFDM과 OFDMA를 비교한 것인데, OFDM은 한 subcarrier당 하나의 유저가 할당되어 모든 주파수를 사용하는 형태이지만 OFDMA는 RB로 유저들을 동적으로 나눠 할당하기에 유저들의 동시 접속을 지원한다.