[최신모바일기술 #02] SC-FDMA and SCS

Solution of High PAPR

Compare OFDMA with SC-FDMA

SC-FDMA Transmitter

 

SC-FDMA은 DFT-S(spread)-OFDM를 기반으로 한 기술로, single carrier의 Low PAPR 장점과 OFDMA의 높은 throughput(multipath 저항 + 동적할당) 장점을 합친 하이브리드 방식이다.

• Modulator에서 Size-N-IFFT 이전에 Size-M-DFT를 진행 (M < N)
• Demodulator에서 Size-N-FFT 이후에 Size-M-IDFT를 진행 (M < N)
• LTE에서의 Downlink에서는 CP-OFDMA, Uplink에서는 SC-FDMA 사용
• 5G에서의 Downlink에서는 CP-OFDMA, Uplink에서는 CP-OFDMA 주축 + 일부 경우에만 DFT-S-OFDM 사용

그럼 DFT-Spread-OFDM은 무엇일까?

기존의 OFDMA는 한 subcarrier에 하나의 심볼을 매핑해 전송했기에 High PAPR 문제가 발생했었다. 그래서 전송 데이터 심볼들에 DFT(Discrete Fourier Transform)을 적용하여 심볼들이 모두 spread되어 M개(DFT Size)의 subcarriers에 모두 매핑되게 했다. 각각의 심볼은 전체 주파수 대역을 사용하게 되고, 각 subcarrier의 영향을 서로 평균화하여 PAPR값을 크게 낮출 수 있었다. 이 방식이 DFT-S-OFDM이다. 이로 인해 Low PAPR이 되어 증폭기의 파워 효율이 증가했고(low back-off) 단말기가 송신할때 낮은 amplifier power를 사용할 수 있게 됐다.

 

그러나 이 방식도 여러 단점들이 존재한다. 

• Bad link level performance를 가져 Bit error rate가 증가하고 data rate가 낮아질 수 있다.
• 수신자의 Complexity가 증가 (ISI가 증가)
  • OFDM은 subcarrier(심볼)를 coherence bandwidth보다 작게 설정하는 frequency-non-selective라 문제없다.
  • 근데 DFT-S-OFDM은 심볼이 spread 되었기에 coherence bandwidth보다 주파수 대역이 넓어져 frequency-selective가 되어버려서 ISI가 발생한다.
  • 그래서 반드시 DFT-S-OFDM에서는 높은 성능의 equlaizer(FDE)을 사용해야한다.

SC-FDMA의 Demodulator에서 Size-M-IDFT 처리 전에 FDE(Frequency Domain Equalizer)를 사용해 frequency domain에서 channel response를 평탄하게 하여 왜곡을 줄이는 작업을 진행한다.

Localized and Distributed concepts

 

DFT-S-OFDM을 기반으로 한 DFT-S-OFDMA는 2가지가 존재하고, 여기서 Localized DFT-S-OFDMA가 SC-FDMA다.

1. Localized DFT-S-OFMDA
   • 인접한 신호들을 특정 주파수 범위에 집중시키는 방식이다.
   • 연속적인 스펙트럼 형태라 채널의 특성을 잘 반영할 수 있고, 하나의 single carrier인것처럼 보인다.
   • 채널 상태정보를 활용하여 최적의 frequency resource를 할당할 수 있어 cell throughput이 높다.
2. Distributed DFT-S-OFMDA
   • Localized 방식과 반대로, 채널의 변화가 빠를 때 사용하는 방식으로 frequency resource를 나눠 할당한다.
   • 그러나 서로 다른 유저들에게 할당된 subcarrier들이 인접하기에 frequency offset에 민감하다.
   • 이러한 단점으로 LTE의 표준은 Localized 방식(SC-FDMA)가 되었다.

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Multiple SubCarrier Spacing (SCS)

SubCarrier Spacing(SCS)는 subcarrier 사이의 주파수 간격을 의미하는데, 여러 통신 환경에 대응하기 위해 SCS의 크기를 다양하게 고려해야 한다. SCS의 크기에 따라 통신 시스템의 여러 측면에 영향을 미치기 때문이다. 이제 SCS의 크기가 작을 때와 클 때의 경우로 나눠 살펴볼 것이다.

Smaller SCS

• 심볼의 길이가 길어진다.
• 동일한 CP 오버헤드 비율에서 CP의 길이가 더 길어진다.
• 이러한 이유로 ISI를 잘 커버하여 Multipath delay spread에 내성이 강하다.

Larger SCS

• 심볼의 길이가 짧아진다.
• Larger SCS는 전송 시간이 빠르기 때문에 짧은 지연시간을 원할 때 유리하다.
• Phase noise에 대한 민감도가 낮다.

심볼의 길이가 길면 Phase noise에 의해 동일하게 영향을 받을 가능성이 커서 error rate가 증가하지만, 심볼의 길이를 짧게 해놓으면 Phase noise가 분산되기에 심볼당 error rate가 감소한다. Larger SCS는 심볼의 길이를 짧게 만들기 때문에 Phase noise에 낮은 민감도를 갖게 돼고, Phase noise는 주파수가 올라갈수록 증가하기 때문에 높은 주파수 대역에서 사용하면 효과적이다.

• Multipath delay spread에 내성이 약하기에 높은 주파수 대역에서 유리하다.

주파수가 올라갈수록 multipath delay spread가 적게 발생하기 때문에 높은 주파수 대역에서 Larger SCS를 사용하는게 유리하다. 이러한 이유로 Larger SCS에서는 길이가 긴 CP의 중요도가 떨어진다.

 

위 특징들을 종합했을때, 송신자 쪽에서 주파수 대역이 낮다면 Smaller SCS가, 주파수 대역이 높다면 Larger SCS가 유리하다는 결론은 도출할 수 있다.

SCS in 5G(NR)

 

위 표는 5G(NR)의 표준으로 사용되는 SCS 간격으로, 주파수 범위(FR, Frequency Range)에 따른 SCS를 보여준다. 왼쪽은 데이터 전송을 위한 SCS 크기이고, 오른쪽은 SS Block 전송을 위한 SCS 크기이다. 여기서 SS Block은 단말기와 기지국이 통신할 때 둘의 동기화 프로세스가 필요한데, 이를 위한 신호를 SS(synchronization signal)라고 하고, 이 신호를 블록 방식으로 사용하기 때문에 SS Block이라는 명칭을 사용한다. 여기서 SCS의 크기는 15의 배수인걸 확인할 수 있는데, Scalable SCS의 크기는 반드시 15 * 2^n [kHz] 꼴이다.