[퍼옴] OFDM

OFDM을 설명하면서 빼먹은 것들이 몇 개 있는데요..

이제 하나씩 채워볼려고 합니다..

그래야 LTE 프레임 구조를 잘 설명할 수 있을 것 같아서요..

사실 저도 대학원때 배운거라 내용이 긴가민가하고 잘 기억도 나지 않아서

거의 처음부터 새로 공부하는 기분이네요..

일단, OFDM으로 잠시 돌아가보죠.

OFDM은 frequency의 orthogonality를 이용하여 각 신호를 구분하는 방식입니다.

그리고 그 장점중에 하나가 multi-path 환경에 강하다고 했었는데요,

이 부분을 좀 더 자세히 볼 필요가 있겠네요.

일단 어렸을 때 대중 목욕탕에 갔었던 기억을 되살려봅시다..

요즘은 목욕탕이 넓고 좋아져서 그런지 잘 못느끼겠더라구요..

아니면 혼자 다녀서 그런가.. 어쨌든.. ㅋ

아버지와 아들이 대화한다고 생각해 봅시다.

목욕탕이니까 당연히 목소리는 많이 울려서 드릴겁니다.

그리고 그 울림이 아들에게 고스란히 전달 되겠죠..

그러면!! 

아버지가 말을 빨리할 때 아들이 아버지의 말을 잘 알아들을까요?

아니면 아버지가 말을 천천히 할 때 아들이 아버지의 말을 잘 알아들을까요?

다시말해서 어떤 경우에 말이 덜 겹쳐서 들릴까요?

당연히 아버지가 말을 빨리할 때 잘 못알아 들을겁니다.

왜냐하면 아버지가 '가'라는 발음을 하고 '나'라는 말을 할 동안

아들의 귀에는 '가'와 '나'라는 말이 같이 들리기 때문이죠.. ^^;

잘 이해가 되시나요?

이 경우를 통신에 적용해 보면 이해가 쉬워집니다.

data rate이 빨라진다는 건 말을 빨리한다는 것에 비유할 수 있습니다.

기존의 single channel의 경우에, 즉 기존의 방식들의 경우

data rate이 빨라질수록 multi-path의 영향을 많이 받습니다.

이 때 말이 겹쳐서 들리는 현상을 통신에서는 

ISI(Inter Symbol Interference)라고 했었죠..

정리하면 data rate이 빨라질수록 ISI도 많이 발생하고, 수신기에서

신호를 제대로 detect하기도 어려워집니다..

아래 그림으로 다시한번 정리해보세요 ^^;;

그러면 OFDM은 왜 이런 성질에 강한 것일까요?

바로 신호를 병렬적(parallel)으로 전송하기 때문입니다.

무슨 말인고하니, 일반적인 single channel의 경우에는 data가 직렬적(serial)으로 전송되는데 비해서

OFDM은 병렬적으로 전송합니다.

(앞의 샤워기와 수도꼭지의 예를 생각하면 되겠네요..)

그래서 신호가 유지되는 길이, 즉 OFDM의 symbol이 single carrier 전송에 비해서 훨씬 길고,

자연스럽게 multi-path에 의해서 발생하는 time delay의 영향도 덜 받는거죠.

 

But!! 그러나. OFDM이라고 해서 multi-path의 영향을 완전히 받지 않는 것은 아닙니다.

가장 큰 문제는 delay되어서 신호가 수신될 경우에

각 symbol들 사이에 간섭이 일어나게 되는 것이죠..

통신시간에는 이걸 ISI(Inter Symbol Interference)라고 배웠던 기억이 어렴풋이 나네요..

어쨌든, ISI가 발생하면 가장 큰 문제가 신호들 사이의 orthogonality가 깨진다는데 있습니다.

OFDM에서 orthogonality는 핵심인데, 이게 깨진다면 의미가 전혀 없는 거겠죠?

앞 글에서 OFDM에 대해서 간략하게(?) 설명했었는데요,

도데체 OFDM를 쓰면 뭐가 좋길래 WiBro/WiMAX부터 LTE까지 OFDM를 사용하는 걸까요?

간략하게 정리해 보겠습니다.

 

1. 장점

나쁜소식 보다는 기쁜 소식을 먼저 듣는게 좋겠죠?

OFDM의 장점은 첫번째, multipath 환경에 강하다는 점입니다..

multipath 환경이란, 쉽게 말해서 기지국에서 발사된 전파가

우리 핸드폰에 도달하기까지 하나의 경로로 도달하지 않고, 여러 경로로 도달한다는 뜻이지요.

금방 아실수 있을 거라고 생각합니다.

기지국에서 내 단말기로 쏘는 전파는 레이저처럼 나를 쳐다보고 단번에 쏘는게 아니죠..

셀 내의 구역을 향해서 모든 방향으로 전파를 발사하는 것이 일반적입니다.

그리고 이렇게 출발한 전파는 여러 방향으로 흩어지다가 일부는 건물 벽에 반사되고

일부는 달리는 차에 반사되기도 하는 등의 여러 길을 거쳐서 수신되는 거죠.

이렇게 여러 경로로 전파가 전달되는 환경을 multipath 환경이라고 합니다.

아래 그림을 참고하면 쉽게 이해가 될겁니다. ㅎㅎ

이렇게 multipath 환경이 주어질 때 가장 큰 문제점은

동일한 신호가 시간 간격을 두고 여러번 들어온다는 것이죠..

(이걸 delay spread라고 했었던가요.. 기억이 또 가물가물...)

이러한 현상을 수신단쪽에서 해결해야만 정확한 데이터를 수신할 수 있는데요.

OFDM은 이러한 현상을 해결하기가 쉽습니다.

(하드웨어의 복잡성이 낮아진다고 합니다... 저는 하드웨어 쟁이가 아니라서 잘 모르겠네요. ㅠ.ㅠ)

두번째 장점은 시간에 따라 크게 변하지 않는 채널 환경에서 특정 sub-carrier의 상태에 따라서

적응적으로 데이터의 전송률을 변화시킬 수 있다는 겁니다..

말이 좀 어렵네요..

일단, OFDM은 데이터를 여러개의 주파수로 나누어서 전송한다는건 앞에서 얘기했습니다.

샤워기의 물줄기를 생각하시면 편한데요,

이 샤워기의 물줄기의 상태가 각각 다르다고 할 때, 

거기에 맞는 데이터 전송률로 전송할 수 있다고 표현하면 좀 쉬울지 모르겠네요.

여기서 "시간에 따라 크게 변하지 않는" 이라는 말이 붙었는데요,

무선 채널 환경은 시간에 따라서 변하게 됩니다. 그런데 얼마나 심하게 바뀌느냐가 문제가 되지요.

시간에 따라 크게 바뀌게 되면 채널 상태 추정 자체가 어려워져서 전송되는 데이터가

모두 다 깨지는 현상이 발생하기도 합니다.

어쨌든 이렇게 시간에 따라 채널 상태가 급격하게 바뀔 경우에는 

채널 상태에 따라서 데이터 전송률을 바꾸는 것이 큰 의미가 없을 수도 있습니다.

데이터가 다 깨져버려서 쓸수가 없으니까요.

세번째 장점은 하나의 sub-carrier에서의 채널 상태가 좋지 않아도

데이터 전송률이 크게 감소하지 않는다는 점입니다.

이걸 유식한 말로 "협대역 간섭에 강하다"라는 말로 표현하기도 하죠..

음.. 이것도 샤워기를 생각하시면 편할 것 같은데요,

샤워기에 물나오는 구멍 3~4개 막는다고 샤워를 못하지는 않죠?

물이 특별이 적게 나오는 것도 아니구요.. ^^

대충 이정도가 많이 언급되는 장점 같습니다.

2. 단점

그럼 단점은?? 가장 많이 얘기 되는 것이 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)입니다.

PAPR은 말 그대로 신호가 가지는 파워의 최대치와 평균치의 비를 얘기하는 건데요,

이 비율이 클수록 하드웨어 설계가 어려워지고, 소모되는 파워도 크게 됩니다.

그러면 왜 이런 현상이 일어날까요?

OFDM는 여러개의 신호를 각각 기본 주파수의 harmonics에 실어 한꺼번에 전송하는 방법입니다

그러면 아래 그림의 경우에는 어떻게 될까요?

[출처] OFDM의 장점과 단점|작성자 천칭자리

[출처] OFDM과 Cyclic Prefix|작성자 천칭자리