LTE, OFDM, OFDMA

OFDM과 OFDMA가 정확히 구분이 안되어 위의 유투브 내용을 바탕으로정리 해본 내용입니다. 잘못된 내용이 있을 수 있으므로 이상한 부분은 지적해 주시기 바랍니다.

OFDM은 Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 말 그대로 주파수를 직교성을 갖도록 배치해서(서로 간섭이 없도록) 다중화 하는 것, 다중화라는 것이 하나의 통신채널에 다수의 신호를 보내는 것으로 여기서는 다수의 캐리어에 데이터를 실어 보내는 개념으로 생각하면 쉽다. (multi-carrier)

OFDMA는 Orthogonal Frequency Division Multiple Access 로 주파수를 직교성이 갖도록 배치하는 것은 동일 한데 다중 접속(multiple access)를 목적으로 하는 것이다. 즉 여러 사람 또는 단말이 동시에 접속 할 수 있도록 하는 것.

일반적인 무선 채널의 제약 사항을 먼저 살펴 보자.

1. Multipath fading : 유선과는 달리 여러 path를 통해 신호가 전달 될 수 있고 이러한 Multipath component들은 각각 다른 채널 gain 및 time delay를 갖게 된다. 이 것들이 조합이 되어 미치는 영향을 multipath fading이라고 한다.
2. Delay Spread : multipath 로 전파되기 때문에 심볼(symbol)의 duration이 늘어나게 된다.(실제 심볼길이 + 전송 delay)이로 인해 다음 심볼에 간섭을 주게 된다. 이를 ISI(Inter Symbol Interference)또는 crosstalk이라고 하며 해결하기 위해 Guard period를 도입함.
3. Frequency Selective Fading : 채널의 상관대역폭(coherence bandwidth) 보다 더 높은 대역의 신호들은 여러 주파수에서 가변적인 감쇄를 겪게 되는데, 이는 궁극적으로 시간 도메인에서의 신호 왜곡을 유발하고 Frequency selective fading을 일으키게 된다. 이를 해결하기 위해 정밀한 channel equalization 기술이 도입됨. *상관대역폭: 주파수적으로 정적인/균일한 특성을 보이는 채널 대역폭
4. Inter Channel Interference : 종종 인접 캐리어 주파수의 신호 대역폭과 중접되는 경우가 발생함. 이를 개선하기 위해 Guard band를 도입함.

위 에서 언급한 제약 사항들이 조합되어 결국은 대역폭의 비효율성을 야기 하므로 이를 개선하고자 Multiple Access 기술이 도입되게 됨.

그 중 하나가 OFDMA 인 것이다.

그 전에 먼저 Multicarrier Wireless Transmission System에 대해서 알고 가자.

어떤 신호가 carrier 주파수 fc를 기준으로 1MHz의 bandwidth(b.w)를 가지고 전송된다고 할때 Symbol time Ts는 1/b.w 이므로 1us가 된다. 채널의 delay spread를 2us라고 가정하면 조합된 symbol duration은 3us가 되고 결국 심볼 time의 66%가 비효율 영역이 된다는 의미가 된다. (채널 효율이 33%라는 얘기). Delay spread는 제어가 가능한 요소가 아니므로 이를 해결하기 위해 해당 bandwidth를 여러개의 sub carrier로 나눠서 보내는 방법을 사용한다.

즉 1MHz의 single carrier 대신 100개의 10kHz sub carrier로 나누는 것이다.

10kHz의 carrier의 경우 Ts는 100us가 되고 이렇게 되면 2us의 delay spread 정도는 무시할 만한 수준이 된다. 이렇게 주파수를 나누는 개념이 FDMA 이다. (더 큰 symbol duration을 갖도록 더 느리게 변조된 subcarrier를 이용함.)

이렇게 분할된 subcarrier와 데이터가 합성된 후 변조되어 각 subcarrier(s.c)들을 중심으로하는 대역폭을 갖게 된다. (각 각 s.c 들 사이에는 guard band가 존재)

전송신호는 다음 식으로 표현 가능함. (signal 과 각 s.c의 곱한 뒤 모두 합)

OFDMA는 FDMA의 특별한 케이스라고 볼 수 있다.

FDMA가 s.c 사이에 guard band를 두어 주파수들을 분리했다면 OFDMA는 s.c들을 직교성을 유지하도록 배치하여(서로 간섭 없이 동일한 b.w를 점유하도록 설계)전체 bandwidth의 효율성을 대폭 향상 시킨 개념이다.

그러면 우리가 사용하는 LTE에서 OFDM이 어떻게 사용되는지 알아 보자.

OFDM에서는 고속의 데이터stream(넓은 대역폭 점유)을 병렬로 분리해서 더 작은 b.w의 데이터들로 분할 한다. 20MHz의 대역폭을 사용하는 LTE의 경우 1200개의 15kHz b.w를 갖는 subcarrier 들로 구성되는데, 즉 symbol duration Ts 는 1/b.w = 1/15kHz = 66.7usec 가 된다. 결과적으로 한 개의 subcarrier는 15k의 symbol rate를 제공하는 것임. (15kSymbol/sec)

Symbol rate = 1 Symbol/sec/herz, 또는 Nyquist rate의 절반임.

GSM이나 UMTS(3G)와 달리 LTE는 가변 b.w를 지원하는데(1.4M ~ 20Mhz), b.w의 증가는 그 안의 subcarrier 개수도 증가함을 의미한다.

1.4M : 72개, 10M : 600개, 20M : 1200개 (가용 밴드는 18M, 2M는 guard band), s.c b.w 15k * 1200 = 18MHz (가용 대역폭)

DC offset을 기준으로 위쪽으로 600개, 아래쪽으로 600개의 s.c 존재, s.c 최대 주파수는 9MHz가 됨 (-9M ~ +9MHz)

time domain에서 보면 66.7us동안 15kHz s.c는 1cycle을 30k s.c는 2cycle을, 60k s.c는 4cycle을, 9Mhz s.c는 600cycle에 해당됨. 이 각각의 s.c에 데이터를 싣기 위해서 digital modulation이 수행됨. (QPSK, QAM 등) 직교성은 모든 s.c가 동일한 b.w를 갖는다는 전제이므로 s.c배치는 Δf = 1/Ts로 배치하게 됨.

Negative frequency가 존재한다는 것은 Radio frequency 이하에서도 데이터 전송을 한다는 의미.

LTE에서는 downlink에 OFDMA를 사용하는데 data들은 15kHz의 병렬 s.c로 전송된다. 각 s.c들의 time domain에서의 symbol duration을 Resource Element(r.e)라고 하고 66.7us가 된다. 이 각 66.7us의 r.e들이 1개의 symbol을 운반하게 된다. 운반하는 절차는 다음과 같다.

먼저 data는 특정 modulation 방식으로 변조된다. (QPSK, QAM등) 예를 들어 8bit data stream을 QPSK로 보낸다면 2bit stream으로 나눠서 phase, amplitude를 할당하여 QPSK로 변조한 다음 1200개의 s.c에 실어서 보내게 됨.

그런데 1200개의 s.c를 사용하려면 이론상 1200개의 오실레이터가 있어야 하는데(tx, rx모두) 현실적으로 불가능하므로 이를 해결하기 위해 DSP기술을 활용한다. IFFT를 이용하여 해결함. 각 각의 s.c 신호를 IFFT를 통해 합성된 time domain signal로 만들어 내고 이 baseband 신호를 Radio frequency로 전송하게 된다.

수신하는 쪽에서는 Nyquist rate 이상으로 샘플하면 복원 할 수 있으므로 20Mhz의 LTE spectrum에서 가장 높은 s.c 주파수는 9MHz이므로, 18MSampe/sec 이상으로 샘플링 하면 된다.

다시 말해 66.7us의 1개의 OFDM symbol 당 18MSample/sec * 66.7us = 1200개 샘플로 정리 가능

3G UMTS는 3.84MSPS(Sample per sec)의 sampling rate를 사용하므로 하위 호환성 유지를 위해 LTE sampling rate는 이것의 정수배로 취하고 있다. (가변 대역폭 지원)

3.84 >> 7.68 >> 15.36 >> 23.04 >> 30.72Mhz (20MHz b.w에서)

이렇게 해서 20Mhz b.w의 sample rate는 30.72Mhz가 되서 2048 sample/symbol, (30.72 * 66.7us = 2048 FFT size)

s.c 사이에 guard period를 두는데 time domain에서 signal의 급작스런 변화는 frequency domain에서의 고주파 성분을 야기하고, 이는 주파수 domain에서의 직교성을 방해하는 요인이 됨. Inter Carrier Interference 를 유발.

그래서 특별한 Guard period를 도입하였음. (Cyclic prefix)

이렇게 IFFT를 통해 합성된 s.c들은 D/A 컨버터를 거쳐서 합성된 baseband analog signal이 되고(18Mhz) 전송하는 주파수 대역와 mixing 되어 over the air로 전송된다. 예를 들어 2320MHz ~ 2340MHz(20MHz b.w)대역으로 전송된다면, baseband 18MHz 신호는 2321 ~ 2339MHz로 매핑되어 전송된다. (eNodeB를 통해 전송됨.) 이렇게 전송된 신호는 UE(User Equipment)에 전달되어 역과정을 거쳐서 복원된다.

OFDMA Tx 과정 요약

Data → Modulation → s.c mapping → IFFT → D/A → RF mixing →전송

여기에서 여러개의 paralle s.c들을 IFFT를 통해 합성하는 것은 High Peak to Average Power Ratio (PAPR)를 야기하고 높은 PAPR은 많은 전력 소비를 의미한다. 이때문에 UE의 UL(UpLink)용도로 OFDMA을 사용하기 어렵게 된다. 그래서 UL용으로 SC-FDMA를 사용하고 있음.

SC-FDMA는 OFDMA에서 1개의 s.c가 1개의 Symbol에 대응되었던 것과는 다르게, 1개의 symbol이 여러 개의 s.c에 나누어져 전송된다. 이렇게 함으로써 마치 하나의 single carrier를 사용하는 것과 같은 효과를 통해 PAPR을 낮추는 효과를 얻는다. (PAPR은 사용되는 서브캐리어 갯수의 제곱에 비례)

넓은 대역폭의 단일 캐리어 전송이 delay spread에 약점이 있다고 앞에서 언급 했지만, 15khz로 분리된 멀티 캐리어에 분산해서 전송하므로 전체 전송 대역폭은 그렇게 크지 않게 된다.

OFDMA : 1 symbol ← → 1 s.c 1:1맵핑, one to one mapping, 1개의 심볼이 15kHz의 1개의 s.c를 점유함.

SCFDMA : 1 symbol ← → multiple s.c, 동일한 1개의 심볼이 여러 개의 15kHz의 s.c로 분산됨. OFDMA와 비교하면 short symbol duration을 가진 1개의 single carrier 처럼 동작한다.

OFDM과 OFDMA

WiFi 802.11a, DSRC 802.11p등은 OFDM 변조 방식을 사용한다. OFDM은 심볼의 모든 s.c들이 특정 user에게 데이터를 전송하기 위해 사용된다. 이름 그대로 살펴 보면Orthogonal Frequency Division Multiplexing : 직교성을 확보하여 주파수를 분할한 뒤 다중화를 하는 것

OFDMA는 Orthogonal Frequency Division Multiple Access : 직교성을 확보하여 주파수를 분할 한 뒤 여러 접속자가 동시에 접속할 수 있게 하는 것. 즉, 각각 심볼의 s.c 이 여러 사용자들에게 분할 되어 할당되게 하여 무선 자원을 좀더 효율적으로 사용할 수 있게 하는 접속 기술임.

OFDM 주파수 직교성을 보여 주는 그림